Разработка и исследование методов управления данными в САПР изделий приборостроения

Современные условия производства изделий приборостроения очень сложные. Сегодня промышленными предприятиями, конструкторскими и проектными организациями ведется постоянная борьба за заказчика, сроки и качество выполнения работ. При этом сроки разработок стремительно уменьшаются, а требования к качеству продукции остаются столь же высокими.

Согласно [1], если в 1989 — 1998 гг. руководство предприятий и организаций не уделяло достаточно внимания внедрению систем автоматизации проектирования (САПР) и сотрудники сами выбирали системы, основываясь на своих предпочтениях и знаниях, то теперь задача внедрения САПР для руководящих органов является актуальной и первоочередной. В настоящее время использование различных САПР позволяет не только соблюсти требуемые сроки выполнения работ, но и существенно повысить производительность труда.

Современные САПР приборостроения, обеспечивающие автоматизацию, имеют многомодульную структуру. Модули различаются своей ориентацией к тем или иным типам устройств и конструкций. При этом возникают естественные проблемы, связанные с построением общих баз данных, с выбором протоколов, форматов данных и интерфейсов разнородных систем, с организацией совместного использования модулей при групповой работе. Эти проблемы усугубляются на предприятиях и в организациях, производящих сложные изделия, в частности с механическими и радиоэлектронными подсистемами, поскольку САПР машиностроения и радиоэлектроники до недавнего времени развивались самостоятельно в отрыве друг от друга [2].

Следовательно, успешная производственная деятельность таких предприятий и организаций подразумевает необходимость информационного взаимодействия САПР машиностроения и радиоэлектроники.

В этом случае обеспечение согласованной работы всех подразделений предприятий и организаций, участвующих в проектировании, производстве, реализации и эксплуатации сложной техники, осуществляется за счет информационной поддержки этапов жизненного цикла изделий. Такая поддержка, согласно [2], получила название CALS-технологий (Continuous Acquisition and Lifecycle Support — технологии компьютерного сопровождения и поддержки жизненного цикла изделий).

CALS-технологии используются для обеспечения возможности предоставлять необходимую информацию в нужное время, в нужном виде и в конкретном месте любому из участников жизненного цикла изделия.

Для этого CALS-технологиями решаются следующие основные задачи:

1) структурирование и моделирование данных об изделии и процессах;

2) обеспечение эффективного управления и обмена данными между всеми участниками жизненного цикла изделия;

3) создание и сопровождение документации, необходимой для поддержки всех этапов жизненного цикла изделия.

Эффективность управления данными подразумевает, прежде всего, представление информации в форме, обеспечивающей легкость ее восприятия! и однозначное ее понимание всеми участниками жизненного цикла изделий. Это требование распространяется на любую документацию, используемую в разных процедурах этапов жизненного цикла. При нтом большое значение придается задаче минимизации усилий при разработке документации на изделие.

СЛЬБ-технологии являются средством, интегрирующим промышленные автоматизированные системы в единую многофункциональную систему. Целью интеграции автоматизированных систем проектирования и управления является, повышение эффективности создания и использования сложной техники. Повышение эффективности выражается в следующих факторах:

1) улучшается качество изделий за счет более полного учета имеющейся информации при проектировании и принятии управленческих решений;

2) сокращаются материальные и временные затраты на проектирование и изготовление изделий;

3) значительно снижаются затраты на эксплуатацию.

САЬЗ-технологии являются технологиями комплексной компьютеризации сфер промышленного производства. Комплексность обеспечивается информацией и стандартизацией спецификаций промышленных изделий на всех этапах их жизненного цикла. В подобных системах предусмотрены хранение, обработка и передача информации в компьютерных средах, оперативный доступ к данным в нужное время и в нужном месте.

Эти технологии зародились в 1980;е годы в США. Предпосылками для их возникновения явились необходимость совместной работы многих промышленных предприятий и организаций в проектировании, производстве и логистической поддержке сложных изделий, а это означало необходимость унификации представления данных об изделиях. Было осознано, что для взаимодействия разных автоматизированных систем нужна унификация не только формы, но и содержания информации о производимой продукции. То есть требовалось создание единой информационной среды взаимодействия всех подразделений предприятия или организации.

Таким образом, главная задача создания и внедрения описываемых технологий заключается в обеспечении единообразных описания и интерпретации данных независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей разнообразные масштабы, в том числе и глобальные.

Другими словами ' САЬЭ-технологии не отвергают существующие автоматизированные системы проектирования и управления, а являются средством их эффективного взаимодействия.

Для выполнения задач CALS-технологий разработаны программные комплексы, предназначенные для поддержки единого информационного пространства этапов жизненного цикла изделий. Этими комплексами являются системы управления документами и документооборотом и управления проектными данными. Такие системы еще называют PDM-системами (Product Data Management) или более общее определение — PLM-системами (Product Lifecycle Management).

Первые PDM-системы появились в конце 8 Ох — начале 90х гг. Их появление было вызвано возрастающими сложностями на уровне рабочих групп. Проблемы заключались в обеспечении эффективной работы над одним сложным изделием группы разработчиков. Для этого требовалось дополнительное программное средство, отслеживающее состав файлов, генерируемых САПР, каталогов на предмет их целостности, непротиворечивости и актуальности.

Такое направление информационной деятельности вскоре было выделено в самостоятельное направление деятельности. Его реализация позволила создать PDM-системы первого поколения, предоставляющих прямой интерфейс с САПР, встроенную систему управления базами данных (СУБД) и генератор отчетов для вывода спецификаций на изделие [3]. Данной разработкой занимались преимущественно производители САПР сквозного проектирования. Это позволило решать вопросы взаимной увязки наработанных конструктором данных, надежности хранения этих данных, обеспечения доступа и их хранения. При этом первоначальными данными для работы PDM являлись:

1) структура изделия (получается непосредственно средствами САПР);

2) структура отношений между участниками проекта;

3) дополнительная производственная информация, относящаяся к проекту в целом.

Так как областью применения PDM-систем первого поколения являлись группы проектировщиков, то к середине 90-х гг. стало ясно, что такие системы успешно решают задачи только подобных групп. Для успешной интеграции систем в общий производственный процесс необходимо было их дополнить новой функциональностью (новыми модулями) для управления не только конструкторской документацией, но и технологической. Характерной задачей нового — второго поколения PDM-систем стало обеспечение управления всеми проектными данными в соответствии с правилами, установленными для участников на каждом конкретном этапе жизненного цикла изделия. Другой задачей являлось управление жизненными циклами изделия.

Таким образом, областью для применения систем второго поколения стали группы и подразделения организаций или предприятий непосредственно занятых в процессе производства. Данное решение позволило расширить информационный обмен, включив в его сферу все подразделения организации или предприятия, автоматизировать функции принятия решений при продвижении информации об изделии по этапам жизненного цикла изделия, а также упростить организацию доступа к общей базе данных для каждого пользователя системы.

В это же время ведущие системные интеграторы осознали необходимость полного электронного определения изделия (ПЭОИ). Концепция ПЭОИ подразумевает описание всех информационных потоков, касающихся изделия, независимо от того где, когда и кем они были созданы. Это привело к созданию так называемого третьего поколения PDM-систем.

При этом становится понятным тот факт, что структура изделия создается не средствами САПР и после этого передается в PDM, а сама PDM является средством • формирования структуры изделия (электронной структуры изделия — ЭСИ) после чего она передается в САПР. Это позволило выявить следующие функциональные особенности PDM-систем:

1) контроль структуры изделия;

2) контроль жизненного цикла изделия;

3) контроль версий и итераций объектов системы;

4) генератор спецификаций;

5) контроль потоков работ каждого пользователя системы.

К концу 90-х на рынке PDM-систем возникли новые задачи, связанные с электронной коммерцией. При этом новое — четвертое поколение систем «переносит акцент» с категории «изделие» на категорию «процесс изготовления и сопровождения изделия». В этом случае успех предприятия и организации зависит не просто от способности передать на рынок новую модификацию изделия или новое изделие, а от способности быстро перестроить свой производственный процесс.

Итак, подводя итог рассмотренной эволюции PDM-систем можно выделить следующие их функциональные и организационные особенности:

1) при разработке PDM-систем используются WEB-технологии и языки программирования Java, HTML и XML;

2) взаимодействие с автоматизированными системами (например, САПР);

3) управление составом изделия;

4) управление и обеспечение обмена данными о структуре изделия и вносимыми в нее изменениями;

5) управление версиями изделий;

6) управление вариантами состава изделий;

7) управление конфигурациями изделий и др. [3,4].

Учитывая эти особенности, такие системы следует называть PLM-системами. Реализация их особенностей привела к тому, что PLM становятся приложениями, в полной мере реализующими новаторские идеи ведения электронного бизнеса. Тенденции их развития делают необходимыми:

1) стандартизацию описания ЭСИ на основе САЬБ-технологий;

2) повышение требований к качеству документации;

3) применение информации, содержащейся в ЭСИ.

Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов управления данными в САПР изделий приборостроения.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих решений в САПР изделий приборостроения.

2. Провести исследование методов управления данными с целью выявления особенностей их реализации.

3. Разработать метод управления данными в САПР изделий приборостроения.

4. Разработать методику анализа и оптимизации процедуры обработки данных при проектировании.

5. Разработать алгоритмы автоматизации формирования данных об изделиях.

Предметом исследования является процесс управления данными в САПР изделий приборостроения.

Методы исследования.

Для достижения поставленных задач использованы: теория матриц, теория множеств, теория и методы автоматизации проектирования, методы организации баз данных, методы объектно-ориентированного анализа, проектирования и программирования.

Научная новизна:

1. Разработана методика анализа и оптимизации процедуры обработке данных при проектировании, обеспечивающая достоверность представления данных.

2. Разработан метод представления электронной модели изделия на основе оптимизации структур данных.

3. Разработан метод формирования табличных документов на основе данных электронной модели изделия, исключающий ошибочность вводимой информации и обеспечивающий однократность ввода данных.

4. Разработан комплекс алгоритмов автоматизации формирования данных об изделиях, позволяющий исключить избыточность вводимой информации, сократить время проектирования и уменьшить количество ошибок.

5. Разработан метод представления технических документов в РБМ-системе, на основе автоматизации заполнения и анализа значений атрибутов.

Практическая ценность диссертационной работы.

Применение разработанных методов и алгоритмов управления данными в САПР изделий приборостроения позволит существенно сократить время на разработку новых и модификацию существующих изделий приборостроения за счет автоматизации: формирования электронных структур изделий и их составных частей в РБМ-системе при проектировании электрических схем изделийразработки новых и корректировки уже разработанных табличных документовоформления в РБМ-системе технических документов, содержащих текстовую и графическую информацию.

Результаты диссертационной работы внедрены в производственный процесс ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» и образовательный процесс Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, что доказывает эффективность предложенных разработок. Она заключается в следующих положениях: исключается избыточность вводимой информации — данные проектирования вводятся и корректируются один разсокращается время и уменьшается количество ошибок при формировании и редактировании электронных структур изделий за счет использования механизма интеграции со схемотехническими САПРсокращается время и уменьшается количество ошибок при формировании и редактировании табличных документов, за счет использования данных из ЭСИ, необходимых для их разработкиуменьшается количество ошибок, допускаемых при оформлении технических документов, содержащих текстовую и графическую информацию, за счет использования механизма автоматизации для' заполнения атрибутов в технических документах.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе в издании, из перечня изданий, рекомендованных ВАК для защиты докторских и кандидатских работ.

Апробация работы.

Научные и практические результаты диссертационной работы обсуждались на пяти конференциях, в том числе Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные системы», «Интеллектуальные САПР» (А18'09), V Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУ ИТМО' 08), VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУ ИТМО' 09), XXXVII научная и учебно-методическая конференция (СПбГУ ИТМО' 08), XXXVIII научная и учебно-методическая конференция (СПбГУ ИТМО' 09) и XXXIX научная и учебно-методическая конференция (СПбГУ ИТМО' 10).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод управления данными в САПР изделий приборостроения, исключающий избыточность вводимой информации.

2. Методики анализа и оптимизации процедуры обработки данных проектирования для уменьшения ошибок ввода и использования данных.

3. Алгоритмы автоматизации формирования данных об изделиях для оптимизации процесса управления данными в САПР изделий приборостроения, позволяющие исключить избыточность вводимой информации, сократить время проектирования и уменьшить количество ошибок.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Материал изложен на 156 страницах машинописного текста с поясняющими рисунками и таблицами.

Заключение

.

Основными результатами диссертационной работы являются:

1. Проведен анализ существующих САПР и методов управления данными изделий приборостроения.

2. На основе данных, полученных в процессе анализа существующих решений в САПР изделий приборостроения, была обусловлена целесообразность разработки новых методов управления данными.

3. Исследованы особенности автоматизации проектирования изделий и управления данными приборостроения.

4. Разработан метод управления данными в САПР изделий приборостроения.

5. Разработаны методики анализа и оптимизации процедуры обработки данных при проектировании.

6. Разработаны алгоритмы автоматизации формирования данных об изделиях на основе оптимизации структур данных.

Полученные результаты позволили: исключить избыточность вводимой информациисократить время и уменьшить количество ошибок при формировании и редактировании электронных структур изделийсократить время и уменьшить количество ошибок при формировании и редактировании табличных документовуменьшить количество ошибок, допускаемых при оформлении технических документов.