Особенности организации автоматизированного проектирования технологических процессов изготовления деталей корпуса судна Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Посилання на статтю_

Григорян Т.Г. Особенности организации автоматизированного проектирования технологических процес сов изготовления деталей корпуса судна / Т.Г. Григорян // Управлшня проектами та розвиток виробництва: Зб.наук.пр. - Луганськ: вид-во СНУ iм. В.Даля, 2003. - № 3(7).- ^116-123._

УДК 658.512.4: 519.876.5

Т.Г. Григорян

ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КОРПУСА СУДНА

Рассмотрены особенности моделирования и создания базы формализованных знаний экспертной системы проектирования структур технологических процессов изготовления деталей корпуса судна. Рис. 1, табл. 3, ист. 12.

Ключевые слова: автоматизация проектирования, технологических процесс, экспертная система, база знаний.

Т.Г. Григорян

ОСОБЛИВОСТ1 ОРГАН1ЗАЦП АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРОЕКТУВАННЯ ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ПРОЦЕС1В ВИГОТОВЛЕННЯ ДЕТАЛЕЙ КОРПУСА СУДНА

Розглянуто особливост формування бази знань експертно!' пщсистеми проектування технолопчних процеав виготовлення деталей корпуса судна. Обфунтовано вибiр моделi представлення знань про структуру технолопчного процесу. Запропонована методика декомпозицп процесу виявлення i структурування технолопчних знань. Рис. 1., табл. 3, дж. 12.

T.G. Grigoryan

FEATURES OF COMPUTER AIDED DESIGN FOR TECHNOLOGICAL PROCESSES OF SHIP PLATE PRODUCTION

The features of forming the knowledge base for the expert subsystem for the ship plate production technological process design are considered. The choice of the model representing the knowledge about technological process structure is grounded. The decomposition strategy for technological knowledge revealing and structuring is proposed.

Постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными практическими задачами. В настоящее время, когда основными заказчиками отечественных судостроительных предприятий являются зарубежные фирмы, создание и внедрение систем автоматизированного проектирования (САПР) технологических процессов и автоматизированных систем управления производством становится необходимым элементом обеспечения конкурентоспособности судостроительных предприятий. Отсутствие комплексных САПР технологических процессов судостроительного производства и сложность их разработки, обусловленная множеством факторов объективного и субъективного характера, вызывает необходимость выполнения исследований, "Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 3(7) 1

направленных на создание моделей и методов разработки и эксплуатации САПР технологических процессов судостроительного производства.

Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. Важнейшим этапом создания САПР технологических процессов (ТП) является разработка и реализация моделей принятия решений при проектировании структуры ТП. Это обусловлено сложностью автоматизации решения данной задачи, так как "множество возможных вариантов технологических процессов задано не аналитически, а алгоритмически, в виде разного рода правил, инструкций, указаний, имеющих как формальный, так и неформальный характер" [1, с. 50]. В то же время для задач определения параметров технологических операций с успехом применяются методы линейного и нелинейного программирования [2, 3]. Необходимость оперативного вмешательства человека при принятии решения о структуре ТП является основанием для вывода о целесообразности применения методов искусственного интеллекта при решении данной задачи [4, 5].

Анализ последних исследований и публикаций по проблеме. В

работе [6] рассмотрена модель принятия решения при определении структур ТП изготовления деталей корпуса судна. Предложено использовать комбинацию экспертной системы для генерации множества возможных маршрутов изготовления детали, и методов линейного программирования - для выбора из них оптимального варианта.

Как указано в [7], при автоматизированном технологическом проектировании целесообразно применять фреймы для хранения концептуальной информации об объектах предметной области, а продукции - для моделирования процессов рассуждения. Кроме того, для решения задачи технологического проектирования в базе знаний необходимо хранить информацию о последовательности выполнения технологических операций различного назначения, определяющих саму структуру ТП. Например, если деталь плоская, то после операции резки выполняется правка. Однако для детали с погибью операция правки не выполняется, и в этом случае резка предшествует гибке. Аналогичным образом фиксируются все возможные последовательности выполнения технологических операций. Несмотря на общность данной информации, она может варьироваться, исходя из перечня установленного в цехе оборудования и сложившейся методики производства. Применение экспертной подсистемы позволяет адаптировать САПР ТП к технологическим условиям, выработанным многолетней практикой и опытом постройки судов на конкретном предприятии.

Целью статьи является разработка моделей и методов повышения эффективности процессов формирования базы технологических знаний экспертной системы проектирования технологических процессов корпусообрабатывающего производства. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие поставленные задачи: выполнить анализ особенности знаний о структуре ТП, используемых в экспертной системе, разработать модель для их формализации, а также методы их структурирования, хранения и обработки.

Изложение основного материала исследования с обоснованием полученных научных результатов. В качестве основы для формирования базы знаний наиболее целесообразно применение подхода, при котором структура ТП задается с помощью связного ориентированного графа без контуров, в котором вершины, соответствуют технологическим операциям, а дуги - фиксируют очередность операций во времени[1, 8]. Для формализации знаний о структуре ТП целесообразно использовать логическую модель представления знаний, так как она в наибольшей степени соответствует

2

"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 3(7)

специфике рассмотренной информации и характеризуется высокой эффективностью процессов получения решения [9].

Введем бинарный предикат, фиксирующий отношение следования и обозначаемый функциональным символом О. В общем случае применение данного предиката основано на правиле:

3 Р1 3 р] ( О ( рI, р]) = И ).

где р обозначает технологическую операцию, I, ] = 1 .. п, п - количество технологических операций, И - значение истинности, соответствующее истине;

В качестве примера рассмотрим фразы "Разметка по эскизам предшествует резке на гильотинных ножницах" и "Резка на машине с ЧПУ предшествует ручной маркировке", которые будут представлены следующим образом: О ( Разметка по эскизам, Резка на гильотинных ножницах ) = И, О ( Резка на машине с ЧПУ, Ручная маркировка ) = И.

Таким образом, знания о структуре ТП изготовления деталей формируются в следующей последовательности. Сначала определяется множество Р видов выполняемых на производстве технологических операций:

Р = { Р1}.

Затем на данном множестве задается отношение Я строгого полного порядка:

Я = { ( Р1, Р]) I О ( Р1 , р;) = И }.

При проектировании структуры ТП на основании характеристик детали и особенностей производства формируется множество Р' допустимых технологических операций, в процессе которых данная деталь может быть изготовлена. Структура ТП изготовления детали определяется на основании применения предиката О к элементам множества Р' следующим образом:

( ( О ( Р1 , Р]) = И ) Л Р1 Л Р]) ^ (1] е Э ),

где Ь] - элементарный маршрут из двух операций р1 и Р], Э - структура проектируемого ТП.

Так как одна и та же деталь может быть обработана на разнотипном оборудовании, то в общем случае формируется множество возможных структур ТП. Это, в свою очередь, влечет необходимость выбора из них оптимальной, под которой понимается структура, соответствующая минимальной себестоимости или максимальной производительности [6].

Необходимым этапом формирования базы знаний является проверка введенной информации на непротиворечивость. Для базы знаний САПР ТП необходимо выполнение следующих условий. Обеспечение связности графа структуры ТП изготовления деталей, определяемой формой

( 3 Р1) ( О ( Р1, X ) Л О (X, Р1) = И) ,

где х соответствует любой технологической операции.

Другим условием является отсутствие контуров в графе структуры ТП, которое имеет вид

"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 3(7)

3

О ( Р1, Р2 ) Л ... л О ( рк-1, Рк ) л О ( Рк, Р1 ) = Л,

где Л - значение истинности, соответствующее лжи.

Для организации эффективной программной обработки знаний о структуре ТП и проверки их на непротиворечивость целесообразно использовать модели и

Д База знаний технологического проектирования

Классы объектов Правила Структура маршрута |

Разметка по эскизам Разметка по эскизам

Резка на гильотине 1 V Снятие Фасок на станке

Резка на дисковой пиле Снятие Фасок на полуавтомате

Резка газовая полуавтоматическая Снятие Фасок на машине с ЧПУ

Резка газовая на машине с ЧПУ Зачистка кромок турбинкой

Резка плазменная на машине с ЧПУ V Маркировка ручная

Снятие Фасок на станке Маркировка на машинах с ЧПУ

Снятие Фасок на полуавтомате Снятие ласок на станке

Снятие Фасок на машине с ЧПУ Правка в вальцах

Зачистка кромок турбинкой Правка на прессе

Маркировка ручная Гибка на вальцах

Маркировка на машинах с ЧПУ Гибка на прессе

Снятие ласок на станке Гибка на станке Л ГС

Правка в вальцах Отгибка Фланцев на прессе

Правка на прессе Отгибка Фланцев на станке

Гибка на вальцах

Гибка на прессе

Гибка на станке Л ГС

Отгибка Фланцев на прессе

Отгибка Фланцев на станке

Закрыть

Рис. 1. Формализация знаний о структуре технологического процесса корпусообрабатывающего производства

алгоритмы решения задач на графах. Для проверки условия (1) достаточно выполнить анализ списков смежности вершин графа [10, 11]. В основу проверки условия (2) может быть положен алгоритм Д. Джонсона, суть которого сводится к комбинации поиска в глубину и анализа списков смежности вершин графа [10, с. 106-109]. Для генерации структур ТП изготовления детали, которые соответствуют множеству вариантов изготовления детали, может быть использован алгоритм, основанный на возведении в степень матрицы смежности графа [10, С. 137-138]. Таким образом, для представления графа целесообразно применение комбинации матрицы и списков смежности.

В соответствии с приведенным подходом разработан интерфейс для ввода указанной информации в базу знаний подсистемы проектирования маршрутов изготовления деталей корпуса судна, созданной в Украинском государственном морском техническом университете (см. рис. 1). Левый список представлен видами технологических операций, выполняемых при изготовлении деталей. Содержимое правого списка формируется в зависимости от операции, выбранной в левом, и не включает однотипные с ней. Например, при выборе в левом списке операции "Резка на гильотине" в правом не отображаются никакие виды операции "Резка". Для указания последовательности операций рядом с необходимым видом устанавливается флажок. Например, за операцией "Резка на гильотине" могут следовать операции "Снятие фасок на станке", "Снятие

4

"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 3(7)

фасок на полуавтомате" и "Маркировка ручная" (см. рис. 1). Установка флажка сопровождается автоматической проверкой введенной информации на непротиворечивость.

При создании подсистемы разработана методика, направленная на повышение эффективности процессов формирования экспертом базы технологических знаний. Методика представляет собой систематизированную процедуру формирования поля знаний - условного неформального описания основных понятий предметной области и взаимосвязей между ними [1]. Данная методика основана на последовательном заполнении экспертом таблиц зависимостей между объектами предметной области. Таблицы делятся на следующие типы:

- "атрибут детали - операция", фиксирующие связи между множествами атрибутов детали и типами технологических операций;

- "атрибут - атрибут", определяющие взаимное влияние атрибутов при выборе определенного вида технологической операции;

- "диапазон атрибута - вид операции", хранящие диапазоны значения атрибутов детали, при которых возможно выполнение данного вида операции;

- "вид операции - вид операции", определяющие влияние одних технологических операций на другие.

Заполнение таблиц первого типа (см. табл. 1) происходит в следующей последовательности. Сначала определяется множество А атрибутов детали, влияющих на выбор оборудования:

А = { 31},

где / = 1 .. I, I - количество атрибутов.

На основании данного множества и перечня технологических операций, выполняемых на конкретном производстве производстве, заполняется таблица первого типа. Моделью данной таблицы является булева матрица М1:

М1 = || с/] || ,

где / = 1 .. I, ] = 1 .. т, I- количество атрибутов детали, влияющих на выбор способа обработки детали, т - количество технологических операций.

Значение элемента с] определяется следующим образом:

с ■■ = < Ч] ^

1а ^ Р]

ч> Р]

где ^ - характеризует влияние значения атрибута з/ на выбор способа выполнения операции Р].

"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 3(7)

5

Таблица 1

Влияние атрибутов детали на выбор операции обработки

Тип операции

Атрибут Разметка Резка Снятие фасок Зачистка кромок Маркировка Правка Снятие ласок Гибка Отгибка фланцев

Толщина 1 1 0 0 1 1 0 1 1

Марка материала 0 1 1 0 1 1 1 1 1

Затем для каждого типа технологической операции определяются атрибуты, влияние которых на ее выбор зависит от других характеристик. Например, влияние толщины детали на выбор способа ее вырезки зависит от марки используемого материала. Иначе говоря, мы не можем только на основании сведений о толщине детали (без учета марки материала, из которого она изготавливается) утверждать, на каком оборудовании ее вырезать. Моделью данной таблицы является булева матрица М2:

М2] = II с/к || ,

где у - номер операции, для которой определяется взаимное влияние атрибутов, /, к = 1 .. I, I- количество ненулевых элементов в столбце матрицы М1, соответствующему-ой операции.

Матрица М2 строится по следующему правилу:

1, а л ак ^ р■

с1к = , а1 л ак Ч> р■

где знак конъюнкции указывает на влияние значений обоих атрибутов а/ и ак на выбор способа выполнения операции ру.

В результате заполняется т таблиц второго типа. Так как влияние атрибутов взаимное, то таблицы симметричны относительно их главных диагоналей.

6

"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 3(7)

Таблица 2

Взаимное влияние атрибутов детали на выбор операции типа "Резка"

Атрибут Атрибут

Толщина Длина Ширина Марка материала Форма контура Наличие вырезов Наличие фасок

Толщина - 0 0 1 0 0 1

Длина 0 - 1 0 0 0 0

Ширина 0 1 - 0 0 0 0

Марка материала 1 0 0 - 0 0 0

Форма контура 0 0 0 0 - 1 1

Среди взаимозависимых атрибутов экспертом определяются доминирующие, под которыми понимаются атрибуты, имеющие меньшее количество диапазонов значений. Целесообразность применения понятия доминирующего атрибута обусловлена систематизацией рассуждений технолога при заполнении таблиц третьего типа. Для указанного выше примера марка материала будет доминирующим атрибутом.

При построении таблиц третьего типа эксперт задает диапазоны значений атрибутов, при которых возможно выполнение технологической операции определенного вида. Диапазоны взаимозависимых атрибутов определяются при заданных значениях доминирующих атрибутов. Например, ввод экспертом диапазонов значений толщины для операции резки выполняется при уже определенных значениях марки материала.

Моделью таблицы третьего типа является матрица М3 ¡.

М3у = II сщ || ,

где щ = 1 .. г, г - количество видов технологической операции у-го типа.

Так как фактически множество диапазонов значения /-го атрибута представляет собой номинальную шкалу его наименований, то элементами матрицы М3 у являются классы эквивалентности:

= ^Б >

где - 5-ый класс эквивалентности, принадлежность к которому значения /-го атрибута характеризует возможность выполнения щ-го вида у-ой операции.

Ниже представлен пример таблицы третьего типа.

"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 3(7)

7

Таблица 3

Влияние значений атрибутов детали на выбор операции типа "Гибка"

Атрибут Вид операции

Гибка на вальцах Гибка на прессе Гибка на ЛГС

Длина > 500 И < 5000 > 200 И < 8000 > 200 И < 2500

Толщина > 6 И < 12 > 6 И < 30 > 4 И < 18

Тип погиби Простая Сложная Слом

Применение таблицы четвертого типа обусловлено влиянием одних технологических операций на другие. Например, в случае применения газовой резки необходимо выполнять операцию зачистки кромок от грата; при автоматической резке нет необходимости в разметке и т.д. Математической моделью данной таблицы является булева матрица М4 , элементы с¡к которой определяются в соответствии с правилом:

cjk = <

1 Pj — Pk 0. Pj — Pk

где знак — выражает зависимость способа выполнения k-ой операции от вида j-ой операции, j , к = 1 .. m, m - количество типов технологических операций.

Структура и принципы построения таблицы данного типа аналогичны таблицам второго типа. Информация, соответствующая содержанию таблицы четвертого типа, неявно присутствует в модели структуры ТП. Таким образом, определение элементов данной таблицы позволяет технологу систематизировать информацию о структуре ТП при формировании соответствующего раздела базы знаний.

Выводы из исследования и перспективы дальнейших исследований в данном направлении.

1. Для хранения знаний о структуре ТП наиболее целесообразно применение логической модели представления знаний, позволяющей фиксировать последовательность выполнения технологических операций.

2. Специфика задач, решаемых при формировании и проверке содержимого базы знаний, обусловливает выбор методов хранения и обработки информации, применяемых в теории графов.

3. Предложенный подход к построению базы знаний САПР технологических процессов позволяет повысить эффективность работы технолога-эксперта благодаря декомпозиции процесса извлечения знаний, что позволяет сузить понятийное пространство предметной области на каждом этапе формирования базы знаний.

Последующие исследования в данном направлении необходимо направить на создание средств автоматизированного формирования и верификации знаний, определяющих логику принятия решений о структуре технологического процесса. Фактически, речь идет о CASE-средстве (от англ. Computer Aided Software Engineering - автоматизированная разработка программного обеспечения) для создания баз знаний.

8 "Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 3(7)

ЛИТЕРАТУРА

1. Применение ЭВМ в технологической подготовке серийного производства / С. П. Митрофанов, Ю. А. Гульнов, Д. Д. Куликов. - М.: Машиностроение, 1981. - 280 с.

2. Гильман А. М., Брахман Л. А., Батищев Д. П. Оптимизация режимов обработки на металлорежущих станках. - М. Машиностроение, 1972. -188 с.

3. Удовицкий Д. В. Автоматизована система розкрою листового прокату в суднобудуваннг Автореф. дис... канд. техн. наук: 05.08.04 / УДМТУ, - МиколаТв, 2001. - 31 с.

4. Григорян Т. Г. Концепция применения систем, основанных на знаниях, в проектировании технологических процессов верфи // Зб. наук. праць УДМТУ. -МиколаТв: УДМТУ. - 2002. - № 3(381). - С.174-184.

5. Григорян Т. Г. Принципы и методы автоматизации проектирования технологических процессов корпусообрабатывающего производства // Кораблебудування: осв^а, наука, виробництво: Матер. мiжнар. конф. - МиколаТв: УДМТУ, 2002. - С. 73-75.

6. Григорян Т. Г. Принятие решений при автоматизированном проектировании маршрутов изготовления деталей корпуса судна // Зб. наук. праць УДМТУ. - МиколаТв: УДМТУ. - 2002. - № 4(382). - С. 145-154.

7. Григорян Т. Г., Фатеев Н. В. Особенности представления знаний в системе автоматизированного проектирования // Зб. наук. праць УДМТУ. - МиколаТв: УДМТУ, 2000. - № 1(367). - С. 146-150.

8. Цветков В. Д. Система автоматизации проектирования технологических процессов. -М.: Машиностроение, 1972. - 240 с.

9. Представление и использование знаний: Пер. с япон. / Под ред. Х.Уэно, М.Исидзука. -М.: Мир, 1989. - 220 с.

10. Евстигнеев В. А. Применение теории графов в программировании / Под ред. А. П. Ершова. - М.: Наука, 1985. - 352 с.

11. Новиков Ф. А. Дискретная математика для программистов. - СПб.: Питер, 2001. -304 с.

12. Гаврилова Т. А., Хорошевский В. Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. - СПб. Питер, 2000. - 384 с.

Стаття надмшла до редакцп 20.06.2003 р.

"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 3(7)

9