CC BY
288
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УДАЛЕННОЙ САПР ТП
В.В. Богданов
Научный руководитель - д.т.н., профессор Д.Д. Куликов
В статье рассматриваются возможности современных систем автоматизированного проектирования технологических процессов, предлагается новый подход к реализации процесса проектирования технологических процессов и организации систем автоматизированного проектирования.
Введение
Системы автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП) являются связующим звеном между процессами конструирования и производства в компьютерно-интегрированной производственной среде. Целью применения САПР ТП является автоматизация процесса проектирования технологического процесса таким образом, чтобы функции выбора инструмента, оборудования, последовательности операций и переходов и т.д. выполнялись без участия человека. Современные САПР ТП, основанные на использовании различных подходов к реализации процесса проектирования, достигли некоторых успехов в выполнении интеллектуального автоматизированного проектирования технологических процессов, однако многие функции остаются не автоматизированными. Системы не обладают интеллектуальными возможностями, такими как возможность автоматической адаптации технологического процесса в зависимости от имеющихся в наличии ресурсов или организации базы знаний, которые могли бы использоваться всеми модулями системы, занятыми в процессе проектирования.
Средством повышения интеллектуальности систем автоматизированного проектирования может послужить реализация систем на основе распределенного решения технологических проблем. В основе методологии распределенного подхода к решению проблем лежит принцип декомпозиции крупных задач на более мелкие и распределении этих задач между набором специализированных модулей [1]. Модули для решения задач, полученных в результате декомпозиции, называются узлами или агентами. Кооперация агентов происходит на уровне разделения и совместного использования знаний о проблеме и методах ее решения. Каждый агент может решать достаточно сложные задачи, но задачи, которые необходимо решить для глобального повышения уровня автоматизации проектирования технологических процессов, таковы, что ни один из агентов не имеет достаточных данных, ресурсов и интеллектуальности для полноценного их решения. В то же время использование сети агентов позволит решить набор субпроблем и затем объединить полученные результаты в единое решение. Решение наследственно-распределенных проблем аналогично процессу принятия решений на уровне организации, когда решения, принятые несколькими ответственными сотрудниками, оказывают влияние на подразделения компании или бизнес-события.
На сегодняшний день существуют достаточно развитые и отработанные средства для автоматизации и компьютеризации принятия решений (так называемые ОБББ системы и их распределенный вариант - БОББ системы). Использование технологий и методов, применяемых в БОББ системах для организации САПР ТП, позволит значительно повысить уровень автоматизации технологической подготовки производства.
Обзор современных САПР ТП
САПР ТП является неотъемлемой частью компьютерно-интерированной среды производства. Технологический процесс и его параметры, сформированные при помощи САПР ТП, необходимы для организации работы современного производственного
предприятия. На сегодняшний день существует два метода проектирования, применяемых в системах автоматизированного проектирования технологических процессов: метод поиска или вариантный метод и метод синтеза [2].
В системах, использующих метод поиска, применяется принцип групповой технологии, т.е. все детали объединяются в группы, и каждая из групп имеет типовой план обработки. Ограничением таких САПР является то, что новая деталь может быть обработана только в том случае, если она принадлежит к какой-либо из групп, информация о которых занесена в БД САПР ТП; требуется определенная степень модификации плана обработки при появлении новой детали. Хотя эти системы в значительной мере облегчают труд технолога, они не обеспечивают интеграции процесса проектирования детали и процесса разработки технологического процесса.
В системах, использующих метод синтеза, различная информация о процессе и его параметрах (режущий инструмент и технологическая оснастка, последовательность операций и т.д.) формируется в процессе проектирования. Ограничениями таких САПР ТП являются сложность описания геометрии детали и нехватка важных функциональных модулей системы, таких, как, например, подсистема автоматического выбора оборудования. Некоторые САПР ТП могут генерировать список всех возможных операций, применимых к данной группе деталей, и затем на основе эвристического анализа выдавать рекомендации о степени их пригодности для обработки конкретной детали. Однако современные САПР ТП не в состоянии адаптировать такой список к имеющемуся в наличии оборудованию. Математические методы, предложенные для построения последовательности операций и группировки деталей, не подходят для решения других технологических задач.
Проектирование технологических процессов можно представить в виде иерархической структуры, на нижних уровнях которой выполняются четко заданные наборы действий, например, выбор оборудования, инструмента, режимов резания и т. д., в то время как на верхних уровнях происходят процессы, которые требуют принятия достаточно сложных решений [2]. С одной стороны, жесткая иерархическая структура с четким подчинением уровней обеспечивает быстроту обработки информации, в то время как, с другой стороны, такая структура ограничивает возможности внесения изменений в систему.
Комплексность систем с иерархической структурой быстро растет в зависимости от размеров системы, что приводит к росту затрат на разработку, внедрение и поддержку таких систем. Другим препятствием на пути создания САПР ТП является необходимость интеграции различных источников данных, которые используются в работе различных подсистем САПР ТП. Прямая интеграция источников данных невозможна в связи с различным представлением и детализацией данных. Повышение уровня автоматизации САПР ТП требует большей автономности от систем и подсистем.
Децентрализованный подход к построению САПР ТП
В противовес традиционному централизованному подходу к построению САПР ТП можно предложить методологию, успешно применяемую в системах принятия бизнес-решений БОБ Б. Эта методология основана на применении децентрализованной группы интеллектуальных агентов, каждый из которых выполняет функции по решению какой-либо части поставленной задачи. Как показано на рис. 1, каждый агент должен состоять из модуля принятия решения (модуля бизнес-логики), локальной базы знаний и модуля, обеспечивающего связь с другими агентами [3].
Процесс проектирования технологического процесса обеспечивается координацией функционирования локальных агентов. Глобальный запрос, поступающий группе агентов, подвергается декомпозиции, и полученные субзапросы передаются соответст-
вующим агентам. Частные решения, полученные локальными агентами, объединяются и формируют ответ на полученный глобальный запрос.
Модуль связи
Модуль бизнес-логики
База знаний
Рис. 1. Схема организации агента
Такой подход обладает следующими особенностями.
• Повышается адаптивность системы.
• Система становится модульной.
• За счет параллельной работы подсистем повышается скорость обработки.
• Повышается надежность системы.
• Можно снизить потребление ресурсов системой за счет организации обмена прогнозируемой информацией и знаниями между агентами.
• Контроль за выполнение процесса автоматизированного проектирования упрощается.
В современных САПР ТП для выполнения проектирования в автоматическом режиме необходимо выполнить две задачи. Первая задача состоит в анализе модели детали, полученной при помощи CAD системы. Вторая задача состоит в обработке полученных после выполнения первой задачи данных и формировании технологического процесса. В рамках выполнения этих двух задач САПР ТП должна выполнять, в том числе, следующие действия:
• взаимодействие с процессом проектирования для получения более полной информации о детали;
• формирование процесса для каждого этапа обработки;
• выбор инструмента и оснастки;
• выбор режимов обработки.
Проблемы, которые должна решать САПР ТП, распределены в нескольких различных областях знаний. Применение распределенной сети агентов, каждый из которых функционирует в своей области знаний, при обеспечении качественного координирования работы этих агентов позволит решить задачу автоматизации проектирования технологических процессов более полно. Узлы, представляющие отдельные области знаний, способны сформировать качественные решения в своей области знаний, которые затем составят единый результат. Кроме того, от современной САПР ТП требуется возможность формирования нескольких вариантов технологического процесса. При использовании сети распределенных агентов этого можно добиться за счет того, что каждый агент может формировать несколько решений и передавать их координирующему модулю. Координирующий модуль, производя композицию полученных от агентов решений, сможет сформировать большее число вариантов процесса. Кроме того,
наличие большого выбора частных решений позволит решать возникающие в процессе проектирования проблемы более эффективно [3].
В условиях современного рынка в процесс создания продукции вовлекаются многочисленные внешние участники - от поставщиков комплектующих, которые должны иметь возможность оперативно реагировать на изменения в требованиях к конечному продукту, до самих заказчиков, которые хотят получить доступ к процессам формирования этих требований. Для многих крупных производителей «виртуальное предприятие» становится реальностью - они выносят за скобки собственного производственного процесса разработку и выпуск комплектующих, а подчас и собственно сборку готового изделия, оставляя за собой базовые операции выработки концепции и проектирования продукции. Передача части своих функций на аутсорсинг не отменяет необходимости контролировать и интегрировать все процессы. Такой подход к организации производства требует от САПР ТП возможности организации удаленной работы. При использовании децентрализованного подхода к организации САПР ТП возможно территориальное разделение агентов, что позволит реализовать кооперацию территориально удаленных участников процесса разработки технологического процесса.
Реализация децентрализованой САПР ТП при помощи технологии web-сервисов
С учетом требований, предъявляемых к САПР ТП следующего поколения, а также ориентируясь на современные методы построения информационных систем для производственных предприятий, представляется целесообразным разрабатывать САПР ТП на основе технологии web-сервисов. Web-сервис - это программный компонент, доступный через глобальную (или локальную) вычислительную сеть и не привязанный к каким-либо конкретным языкам программирования или операционным системам. Web-сервис использует стандартизированную систему обмена сообщениями, в которой применяется расширяемый язык разметки XML. Технология web-сервисов основана на создании гибких платформонезависимых решений, позволяющих значительно снизить затраты на внедрение и общую стоимость владения программным обеспечением [3].
Системы, построенные по технологии web-сервисов, являются, как правило, модульными и многокомпонентными. Модули такой системы могут выполнять следующие роли:
• реестр сервисов (Service Registry) - централизованный каталог, в котором перечислены все компоненты системы, предоставляющие сервисы, а также описание этих сервисов, их свойства и другая разнородная техническая информация, необходимая для правильной работы системы;
• поставщик сервисов (Service Provider);
• потребитель сервисов (Service Requestor).
При этом один и тот же модуль может выступать как в качестве поставщика сервисов, так и в качестве потребителя. Например, модуль расчета режимов резания будет выступать потребителем сервисов по отношению к модулю работы с базой оборудования и одновременно поставщиком сервисов для модуля, использующего результаты расчетов. Для связи отдельных модулей в единую информационную систему применяется система обмена XML сообщениями. Система обмена сообщениями может использовать различные технологии передачи данных, а именно:
• удаленный вызов процедур XML (XML RPC);
• протокол доступа к объектам сервисов (SOAP);
• передача XML документов посредством базовых методов стандартного интернет-протокола HTTP.
Все три технологии передачи данных могут использовать в качестве транспорта один из общепринятых транспортных Интернет-протоколов - HTTP, FTP, SMTP - или специально
разработанный протокол связи ВЕЕР. Применение стандартных протоколов связи сети Интернет позволяет осуществлять обмен информацией между компонентами системы вне зависимости от технических особенностей организации каналов связи и их удаленности.
Каждый узел сети агентов и координирующий модуль (ядро системы) при построении САПР ТП на основе децентрализованного подхода и технологии web-сервисов будет представлен в виде web-сервиса. Для обеспечения целостности системы все модули будут зарегистрированы в служебном реестре сервисов. Реестр может быть реализован как часть управляющего модуля системы или в виде ЦОВ1 реестра сервисов предприятия. Схема такого решения приведена на рис. 2.
Рис. 2. Реализация САПР ТП при помощи web-сервисов
Технология web-сервисов предполагает открытый доступ к функциям, методам и описанию сервисов, что значительно упрощает процесс разработки новых модулей и организацию межпрограммного взаимодействия в рамках построения единой информационной системы предприятия. Все компоненты системы регистрируют предоставляемые ими сервисы в едином системном реестре сервисов. В процессе работы каждый компонент системы посылает в реестр запрос на обнаружение необходимого сервиса. Реестр сервисов формирует ответ, в котором указывает расположение запрашиваемого сервиса и метод связи с ним. На основании данных, полученных из реестра сервисов, потребитель сервисов формирует пакет данных и отправляет его поставщику сервисов. Обработанные данные поставщик сервисов передает в ответном пакете данных. Таким образом, система может быть не только распределенной, но и динамически изменяемой.
Заключение
Распределенная децентрализованная система автоматизированного проектирования технологических процессов является гибким инструментом, позволяющим значительно повысить уровень автоматизации технологической подготовки производства, а так же организовать взаимодействие предприятий-партнеров.
Литература
1. Rojer Hamilton, Jerald Wasserman. Automating business processes and decision making, IBM Press, 2003.
2. Куликов Д.Д., Падун Б.С., Яблочников Е.И., Скуратов А.К., Тихонов А.Н. Методы автоматизации ТПП в приборостроении и машиностроении. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006.
3. Yasuhiko Takahara, Yongmei Liu. Foundations and Applications of MIS, Springer Press, 2006.
