CC BY
19
Приборы, информационно-измерительные системы
УДК 004.415.2.043
Л.М. Курочкин
РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ИНФОРМАцИОННАЯ СИСТЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА
Ключевым фактором, определяющим конкурентоспособность предприятий приборостроения, является оперативность реагирования на изменения рынка. Глубокая кооперация производственной деятельности заставляет специалистов предприятия постоянно отслеживать возможности контрагентов, появление нового оборудования, изменения технологических возможностей предприятий [1]. С одной стороны, сегодня ни одно крупное или среднее предприятие не обладает парком оборудования и технологическими возможностями для самостоятельного изготовления приборов и изделий. С другой стороны, вопросы оптимальной загрузки собственного оборудования остаются наиважнейшими при определении себестоимости продукции. Таким образом, минимизация производственных издержек достигается оптимальным планированием производственных процессов внутри предприятия и оптимальной кооперацией взаимодействия с контрагентами.
Информационные системы поддержки решения этих задач обеспечиваются пакетами программ АСУ, АСУП, АСУТП, Электронная биржа, Субконтрактинг [3, 4] и др. К наиболее развитым системам следует отнести АСУ, АСУП, АСУТП.
Концепция их создания разработана в 70-е гг. ХХ в., и в настоящее время спектр их реализаций исключительно широк: от SAP R/3 до корпоративных систем для малых предприятий. На рис. 1 показаны модули системы управления производством «Ресурс-мастер» [2]. Эта универсальная, открытая, гибкая система поддерживает бизнес-логику производственных процессов и может интегрироваться с внешними приложениями CAD\CAM.
Проектирование информационных систем поддержки кооперации предприятий началось с 2000-х гг. Этот процесс связан с передачей предприятиям полной ответственности за финансовую и хозяйственную деятельность. Современный прибор объединяет в себе передовые научные идеи, реализованные с помощью новейших технологий на уникальном оборудовании. Качество в приборостроении обусловлено применением новых материалов, методов сбора и обработки данных, полученных на стыке разных научных направлений. Изготовление и наладка отдельных компонент и узлов современных приборов - сложный и дорогостоящий процесс; приборы выпускаются, как правило, мелкосерийно, отдельными партиями, поэтому роль кооперации технологических и сборочных процес-
Рис. 1. АСУП «Ресурс-мастер»
Рис. 2. Электронная биржа
сов существенно возрастает. На рис. 2 приведена схема взаимодействия предприятия с электронной биржей. Электронная биржа - это информационный ресурс, объединяющий участников производственной кооперации (заказчиков и исполнителей). Целью их взаимодействия является сокращение времени поиска контрагентов для выполнения конкретных работ (заказов). Электронная биржа предоставляет заказчику доступ к справочной информации о потенциальном исполнителе (реквизиты, направления производственной деятельности, стоимость услуг и др.). Исполнителю предоставляется доступ к перечню работ, которые еще не распределены на данный момент времени. Положительным результатом взаимодействия заказчика и исполнителя с электронной биржей будет договор или контракт на выполнение конкретного виды работ. Таким образом, электронная биржа решает задачу установления договорных отношений между субъектами хозяйственной деятельности с минимизацией времени поиска партнеров.
Следующим уровнем развития кооперации предприятий станет объединение технологических возможностей в один информационный ресурс. Категория «технологические возможности предприятия» включает: оборудование, оснастку, технологии, кадровое и материальное обеспечение производства. Информационные системы этого класса (ИСТВП - информационная система технологических возможностей предприятий) разрабатываются для поддержки конструкторской и технологической деятельности при создании новых образцов приборов или их модификации. Процесс проектирования нового изделия - это итеративный процесс построения и анализа множества вариантов возможных реализаций, удовлетворяющих техническому заданию. Все локальные решения тесно взаимосвязаны и зависимы одно от другого. Эффективность конечного результата определяется временем разработки проекта и возможностью его реализации с минимальными затратами.
Системы класса ИСТВП позволяют на самых ранних этапах реализации проекта определить конкретные варианты реализации конструктор-
ских решений на оборудовании, доступном в данный момент времени. Установление связи между замыслом конструктора и его практической реализацией сокращает число итераций в процессе проектирования и время изготовления нового изделия. На рис. 3 приведена схема взаимодействия ИСТВП с пользователями. Главной особенностью модели данных ИСТВП является отображение уникальных технологических возможностей предприятия: оборудования, оснастки, технологических процессов сборки и настройки приборов, наличия высококвалифицированных кадров, -т. е. существенных отличий конкретного производства. Именно уникальные технологические возможности определяют качество конечного изделия. Как правило, речь идет о дорогостоящем оборудовании, которое представлено единичными экземплярами с эпизодической загрузкой.
Внедрение ИСТВП позволяет сократить периоды жизненного цикла изделия, время на проектирование и разработку продукции; улучшить планирование и контроль процессов, а также повысить эффективность использования дорогостоящего оборудования.
Рассмотрим вопросы представления данных в ИСТВП. Технологические возможности предприятий охватывают практически все виды производственной деятельности, спектр которых постоянно расширяется. Исходя из этого, модель представления данных должна быть открытой. С другой стороны, многообразие производственных процессов существенно затрудняет построение объектной модели данных, т. к. многие их них несопоставимы по видам обработки, операциям, переходам и другим характеристикам. В подобных случаях решением задачи представляется детальная декомпозиция всех сущностей, которая формирует базовый уровень предметной области, позволяющий синтезировать любое многообразие объектов и процессов.
Сформулируем основные требования к ИСТВП:
обеспечение представления производственных
ювое изделие
Рис. 3. Структура ИСТВП
возможностей предприятий приборостроения;
обеспечение возможности представления заказов предприятий;
осуществление автоматического поиска субподрядчиков;
поддержка обмена между участниками системы необходимыми для проектирования и производства данными.
Рассмотрим варианты решения двух задач: разработка структуры данных для описания производственных возможностей и заказов предприятий;
создание алгоритма поиска потенциальных исполнителей заказа.
Структура данных для описания производственных возможностей и заказов предприятий. Модель данных ИСТВП представляет связанный граф, узлами которого являются сущности приборостроительного производства, а ребрами - связи между ними. Набор сущностей, операций и переходов формируется в соответствии с «Классификатором технологических операций машиностроения и приборостроения» [6] и «Классификатором технологических переходов машиностроения и приборостроения» [5]. Эти классификаторы широко используются предприятиями и могут применяться для описания производственного заказа при формировании технического предложения потенциальным партнерам.
Формализация описания производственных возможностей оборудования с использованием тех же классификаторов, что и для описания ТП, и разработка метода установления соответствия описания ТП производственным возможностям оборудования, позволит реализовать автоматический поиск потенциальных исполнителей ТП.
Каждый переход технологического процесса может быть описан конечным вектором параметров, каждый из которых имеет собственное значение
(диапазон) и единицу измерения. Каждый переход закрепляется за одной или несколькими операциями. Назначение переходов операциям и параметров -переходам производится экспертной оценкой.
Описание возможностей оборудования представляется и набором параметров: виды обработки, используемый инструмент, габаритные размеры рабочего стола, предельные размеры обрабатываемой заготовки, режим работы, допустимые нагрузки и т. п. Для выявления перечня операций и переходов со значениями (или диапазонами) параметров, обеспечиваемых конкретной моделью оборудования, требуется экспертная оценка.
Базовая версия модели данных ИСТВП содержит четыре блока:
справочники (оборудование, операции, переходы);
перечень оборудования и данные предприятий;
описание заказа;
регистрации и взаимодействия пользователей.
Справочник оборудования содержит классификатор станков (оборудования) и классификатор переходов (операций), выполняемых на данных станках - паспортные данные, заполняемые экспертами. Перечень оборудования предприятия описывает оборудование и особенности технологических переходов конкретных предприятий (параметры переходов с учетом износа и модернизации оборудования) - данные предоставляются предприятиями (могут использоваться пользователями после модерирования администратором БД) или копируются из справочника оборудования.
Классификатор станков основан на существующем классификаторе металлорежущего оборудования [7]. Он позволяет группировать оборудование по способу обработки заготовки (типу выполняемых переходов) и модели; состоит из таблиц: группа оборудования, тип станков, модели станков.
Классификатор переходов основан на «Классификаторе технологических переходов машиностроения и приборостроения» [6], содержит описание переходов, включающее название, код (два символа обозначения действия и три цифры кода предмета труда), тип, вид операции и вид обработки, к которым принадлежит данный переход. В системе сформированы две независимые классификации переходов: по операциям и группам переходов. Переходы группируются в операции. Описание операций основано на «Классификаторе технологических операций машиностроения и приборостроения», хранится в таблице «Операции» и содержит название и четырехзначный код операции. Операции объединяются в группы операций (по первым двум цифрам кода) и хранятся в отдельной таблице.
Классификатор переходов позволяет группировать переходы по группе атрибутов перехода и их значений, по типу перехода. Любой переход может быть закреплен за конкретным станком.
Таблицы, входящие в классификатор переходов, содержат названия переходов, типы и коды переходов, обозначение групповой операции, виды обработки.
Параметры перехода - значения, диапазоны значений или списки значений для описания возможностей оборудования в форме определения предельно достижимого качества выполнения перехода. Параметры перехода содержат сведения о переменных параметров норм времени и точности обработки оборудования (например, припуск, число ходов, скорость обработки, машинное время). Параметр перехода описывается названием параметра, типом параметра (значение, интервал, набор), типом значения (целое число, число с плавающей точкой, текст), единицей измерения, которые связываются с переходом через таблицу параметров.
Атрибуты перехода описывают основные характеристики оборудования, на котором выполняется данный переход (габариты рабочей области, число степеней свободы приводов, числа сменного инструмента). Использование атрибутов перехода позволяет проводить более точную классификацию оборудования, чем по типоразмеру, осуществлять более гибкий поиск оборудования.
Для описания атрибутов используется таблица «Атрибуты перехода». Она содержит название атрибута перехода (копируется из справочника) -идентификатор типа параметра, названия параметра, типа значения и единицу измерения.
Система обеспечивает динамическое формирование перечней параметров, атрибутов, набо-
ров параметров, наборов атрибутов, и их численных значений.
Для более точного описания требований к технологическим возможностям оборудования, атрибуты перехода объединяются в группы (пример группы: наибольшая ширина стола, наибольшая высота стола, наибольшая масса заготовки). Группирование атрибутов обеспечивается таблицей «Группа атрибутов». Она содержит группу атрибутов, задающую конкретный переход, идентификаторы операции и атрибута перехода.
«Группа атрибутов» получает свой идентификатор, который используется для последующего назначения конкретных значений параметрам данного перехода, выполняемого на заданной модели оборудования. Параметры и атрибуты переходов связываются со своими значениями через служебные таблицы.
Общая информация о предприятии хранится в таблице «Предприятие». Данные, описывающие станочный парк предприятия, содержатся в следующих таблицах: «Оборудование предприятия», «Группа станков» (объединяет станки по значениям параметров выполнения переходов и загрузке), «Переходы предприятия». Значения атрибутов и параметров переходов, выполняемых на предприятии, хранятся в служебных таблицах.
Блок заказа содержит перечень операций, переходов и значений их параметров.
Данный раздел используется для описания технологий, необходимых заказчику, для поиска предприятия исполнителя среди участников системы. Заказ состоит из перечня операций, неформального (текстового) описания технологии, набора переходов, содержащего значения параметров и атрибутов, а также файлы - приложения заказа (чертежи, схемы, модели).
Блок содержит следующие таблицы: «Описание заказа» (название, принадлежность пользователю, права), «Переходы заказа» (порядок выполнения, значения параметров и атрибутов).
Значения параметров и атрибутов переходов заказа хранятся аналогично значениям параметров и атрибутов классификатора оборудования и перечня оборудования предприятия в служебных таблицах.
Блок авторизации и взаимодействия пользователей используется для разграничения прав доступа, регистрации действий пользователей и обеспечения обмена данными участниками системы
Алгоритм поиска исполнителей заказа. Поиск исполнителей заказа осуществляется на графе, состоящем из сущностей технологических возможностей предприятия. Исходными данными поиска
являются отдельные переходы (или операции) с указанием значений параметров или группы переходов. Результатом поиска является оборудование, способное выполнить заданный переход с требуемым качеством. Задача поиска может быть успешно решена при наличии в базе данных одного экземпляра нужного оборудования. В то же время наличие в базе данных универсального оборудования или нескольких экземпляров оборудования приведет к формированию нескольких вариантов ответа на запрос, при этом число вариантов будет быстро расти при обработке запроса на поиск группы переходов (операций). В последнем случае число вариантов будет расти экспоненциально. Для ограничения числа вариантов ответов следует ввести критерии отбора. Например: выполнение запроса на одном предприятии; выполнение запроса на минимальном числе оборудования; выполнение запроса с минимальным числом переустановок изделия и др. Рассмотрим алгоритм выполнения запроса с критерием отбора «на минимальном числе предприятий».
Для решения данной задачи предлагается следующий алгоритм.
На подготовительном этапе в результате перебора всех участвующих в поиске переходов заказа и выбора (сравнивая значения параметров и атрибутов заказа и оборудования предприятий) оборудования предприятий, способного обеспечить данные требования, формируется массив, содержащий всех возможных исполнителей каждого перехода заказа. Описанный массив имеет следующую структуру:
Массив_исполнителей[Иден_перехода_зака-за][номер_исполнения][иден_предприятия]
На первом шаге выбирается одно или несколько оптимальных предприятий. Оптимальным считается предприятие, которое может обеспечить выполнение максимального числа переходов заказа.
Шаг 1. Формирование массива количества переходов, выполняемых предприятием:
Подсчет_исполнителей[ иденпредприя-тия]=[количество_участий].
Для этого по всем вариантам исполнения массива «Массивисполнителей» подсчитывается число переходов, выполняемых различными заводами. Если определен элемент:
Подсчет_исполнителей[иден_текущего_ предприятия],
то количество переходов, выполняемых данным предприятием, увеличивается на единицу. В противном случае устанавливается:
Подсчет_исполнителей[иден_текущего_ предприятия] = 1.
Подсчет предприятий осуществляется для выявления особого случая, которым является вариант, когда все предприятия по одному разу встречаются в массиве исполнителей. Если возможно выделить предприятия, участвующие не более одного раза, то осуществляется переход к шагу 2; если все заводы участвуют в массиве по одному разу - переход к шагу 3.
Шаг 2. Формирование массива выбранных исполнителей:
Выбранные_исполнители[ иденпредприя-тия] =[количество_выполн_переходов].
Для этого оцениваются исходные данные с учетом массива «Подсчетисполнителей».
Шаг 3. Особый случай, каждый завод встречается единожды. Необходимо последовательно формировать цепочки вариантов исполнения заказа. Например, если массив исполнителей имеет вид (ключи: идентификатор перехода, порядковый номер исполнителя, идентификатор исполнителя): Массив исполнителей [1367][1][116]
[2][117] [1368][1][118], то массив «Выбранныеисполнители» будет сформирован следующим образом:
[116] = 1, [117] = 1, [118] = 1,
следовательно, если не рассматривать этот случай отдельно, входами для четвертого шага будет набор 116,117,118 (идентификаторы записей таблицы «Enterprise»). Дальнейшая работа алгоритма по формированию цепочек исполнителей представлена на рис. 4. Цепочка исполнителей - это последовательность предприятий исполнителей, в соответствии с последовательностью переходов в технологическом процессе.
Из представленных результатов видно, что при такой работе алгоритма происходит дублирование вариантов исполнения заказа. Требуется последующая оценка всех вариантов исполнения на предмет повторений. Для того чтобы избавиться от лишних операций сравнения и сократить время работы, необходимо на этапе формирования
Шаг 1. Шаг 2.
Для перехода 1367 Для перехода 1367
118 А118 ^
Для перехода 1368 Для перехода 1368 ' - Л Г116У117^
п^ [нвХив,
Рис. 4. Пример формирования цепочек исполнителей
последовательности исполнителен ввести механизм, исключающий дублирование цепочек. Для исключения дублирования размечается исходный массив исполнителей, структура дополняется полем «флаг», которое является признаком выбора предприятия. Корректируя структуру «Массив_ исполнителей», формируется структура:
Массив_исполнителей[Иден_перехода_зака-за][номер_исполнения][иден_предприятие] [флаг] Идея заключается в последовательном заполнении цепочек исполнителей переходов (для каждого перехода отдельно), начиная с первого. Ранее формирование осуществлялось по критерию максимального количества выполняемых переходов предприятием («Массивисполнителей»). При этом заполнение структуры «Подсчетис-полнителей» происходит только теми заводами, которые могут обеспечить выполнение текущего перехода, в остальных случаях (не все предприятия встречаются единожды) он заполняется всеми предприятиями, участвующими в неразмеченных переходах. Таким образом, результат работы алгоритма будет следующим (рис. 5).
При таком изменении дублирования одинаковых последовательностей не происходит. Переход к шагу 5.
Шаг 4. Найден набор оптимальных заводов. В лучшем случае, завод единственный. Исходный массив размечается (поле «флаг» устанавливается в 1) с учетом найденных предприятий.
Шаг 5. Формируется структура, элементами которой являются размеченные массивы исполнителей:
Вариантыисполнения [номервариантаис-полнения].
Если структура данных «Выбранные_ис-полнители» содержит несколько заводов - число вариантов исполнения увеличивается в зависимости от количества заводов. На выходе этапа имеем набор массивов, размеченных флагами (пред-
Шаг 1. Шаг 2.
Для перехода 1367 Для перехода 1368
116
у
117
116Y117
.lisJtns,
Рис. 5. Пример формирования цепочек исполнителей
У
приятие, отмеченное флагом 1, учтено в цепочках исполнения данного перехода).
Шаг 6. Производится проверка наличия исполнителя каждой сформированной цепочки (проверки поля «флаг» массива) Вариантыис-полнения, содержащего единицу, в случае, если данному переходу назначен исполнитель. Если исполнители всех переходов во всех вариантах исполнения определены, алгоритм заканчивает работу. При наличии свободных (исполнитель не назначен) переходов повторяется первый шаг, в качестве исходных данных используется элемент массива Варианты_исполнения, из рассмотрения исключаются переходы, которым по результатам предыдущих проходов назначены предприятия (т. е. из рассмотрения исключаются переходы, помеченные флагом 1). На оставшихся переходах алгоритм выполняется повторно.
Предложенная структура ИСТВП обеспечивает сокращение периодов жизненного цикла изделия на этапах проектирование и разработки новых изделий. Разработанная структура представления данных позволяет описать технологические возможности предприятий и реализовать описание производственного заказа в удобном для технолога виде. Предложенный алгоритм поиска вариантов обеспечивает получение решения за полиномиальное время.
С помощью внедрения ИСТВП можно осуществить мониторинг технологических возможностей предприятий приборостроения и повысить конкурентоспособность отрасли.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Голландцев, Ю.А. Информационно-управляющая система поиска партнеров с использованием инструментальных средств систем класса ERP [Текст]/Ю.А. Голландцев, В.А. Дубенецкий//Научно-технические ведомости СПбГПУ-2010.-№ 4.
2. [Электронный ресурс] http://isresurs.spb.ru
3. Портал информационной поддержки малого и среднего информационного бизнеса [Электронный ресурс] www.subcontract.ru
4. Санкт-Петербургский фонд поддержки промышленности. Информационная система субконтрактинга
[Электронный ресурс] www.fpp-iis.ru
5. Классификатор технологических операций в машиностроении и приборостроении [Текст]. -М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, Ч. 1, 1975.-24 с.; Ч. 2, 1978.-32 с.
6. Классификатор технологических переходов машиностроения и приборостроения [Текст]. -М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1991.-120 с
7. Косилова, А.Г. Справочник технолога-машиностроителя: т. 2 [Текст]/А.Г. Косилова, Р.К. Мещеряков; 7-е изд. -М.: Машиностроение, 1986. -496 с.
