Основні завдання багато об’єктним технологічного проектування

Рішення завдання скорочення часу на технологічну підготовку виробництва та випуску нових виробів, особливо малими партіями, забезпечує підвищення їх конкурентоспроможності і дає можливість оперативного реагування на зміни споживчого попиту. Це, в свою чергу, знижує як собівартість виготовлення нової продукції, так і час від появи нових конструкторських розробок до їх впровадження в промислові зразки.

Для вирішення цього завдання необхідно визначити сукупність необхідних методів і засобів освіти маршрутів проектування - послідовностей проектних операцій і процедур, що ведуть до досягнення поставленої мети. При цьому методи побудови послідовностей проектування визначаються типом проектних завдань.

Основою для здійснення багато об’єктним технологічного проектування є вже існуючі робочі виробничі системи (РПС), орієнтовані на випуск своїх виробничих завдань (ПЗ) і мають фонд вільного часу свого технологічного обладнання. Технологічне обладнання, що має фонд вільного часу, є ресурсами виробничих систем (ПС), необхідними для функціонування віртуальних виробничих систем (ВПС). На основі інформації про ресурси ПС оперативно формується конфігурація (можливо, що змінюється в часі), максимально відповідає вимогам виконуваних ПЗ.

Особливістю такого підходу є використання елементів інтелектуального управління, що дозволяє приймати рішення щодо зміни конфігурації ВПС і формуванню керуючої інформації в реальному масштабі часу з мінімальною участю людини-оператора.

Багато об’єктним технологічне проектування з інтелектуальним управлінням в РПС включає в себе: методики проектування технологічних процесів, методику забезпечення цілеспрямованої генерації можливих варіантів конфігурації ВПС, методику здійснення верифікації генерованих варіантів і відбору кращих, а також методику прийняття рішення, на основі якого здійснюється управління процесом конфігурування ВПС під часу. У зв'язку з тим, що прийняття рішення і формування на його основі керуючого впливу здійснюється на основі складних творчих процесів, управління повинне будуватися як інтелектуальне.

Таким чином, концептуальна ідея побудови віртуальної виробничої системи полягає в мобільній організації тимчасово функціонуючих об'єктно-орієнтованих ПС для виконання поточних технологічних процесів на базі РПС. Іншими словами, за наявності деякого ПЗ необхідна стратегія виконання їх в РПС, мають фонд вільного часу і орієнтованих, в свою чергу, на випуск інших, різних за своїми параметрами виробів. При цьому виконання спроектованих технологічних процесів не повинно негативно позначатися на термінах і собівартості випуску основної для цих РПС продукції.

Реалізація ідеї досягається за рахунок формування ВПС раціональної конфігурації, що дозволяє виконувати ПЗ в терміни, що не перевищують задані, але близькі до них, з мінімальною собівартістю. Такий підхід забезпечує відсутність матеріальних перебудов при формуванні ПС для виконання ПЗ, мінімальні витрати на зберігання готової продукції та мінімальні обсяги використовуваних ресурсів оперативних виробничих систем (ОПВ). Використання вільного технологічного обладнання РПС, орієнтованих на виконання своїх планових технологічних процесів, забезпечує істотне зниження часу і трудомісткості технологічної підготовки виробництва.

Дані про предметної області, до якої належить об'єкт, про існуючих і розроблюваних його структурах, відомі або прогнозовані відносини і зв'язки між елементами і властивостями об'єкта і зовнішнього середовища являє собою породжує середовище. Сукупність інформаційних потоків, утворених інформацією про ПЗ і ОПС, утворює породжує середовище, необхідне для генерації варіантів конфігурацій ВПС.

Породжує середовище являє собою систему сутностей OS, яка може бути представлена ​​у вигляді

 

де saj - і -SAi - відповідно, властивість і безліч його проявів; sbj, SBj - база і безліч її елементів; Nn = {l, 2,..., n} і Nm - {l, 2,..., m}; n - число одиниць технологічного обладнання в ВПС; m - число видів виробів у ПЗ.

Сукупність відносин можна представити у вигляді множин Dl, D2,..., DN, тоді R є відношенням над цими множинами, якщо R є безліч впорядкованих послідовностей (і кортежів) виду <dl, d2,..., dn>, де dl - елемент з D1; d2 - елемент з D2;...; dn - елемент з DN. Безлічі Dl, D2,.., DN є доменами відносини R.

Відношення R складається з деякого числа кортежів, відповідних числу елементів в ПЗ, і являє собою потужність. Ставлення може бути представлено у вигляді табличній функції. Таке уявлення зумовлює застосування реляційних баз даних.

При спільному використанні баз знань і даних особливе значення мають операції вибору і проекції. За значеннями атрибутів, які розраховані на основі інформації, отриманої з баз знань, за допомогою цих операцій проводиться відбір необхідної інформації з бази даних.

На етапі прийняття рішень, відповідно до вимог і обмеженнями більш високого рівня, приймається рішення про виконання деякого об'єму ПЗ.

На етапі проектування проводиться аналіз обраного ПЗ, розробка технологічного процесу у вигляді набору маршрутів, описів, вибір устаткування, оснащення і т. Д.

На етапі планування складається план виготовлення виробів за відповідною технологією на технологічному обладнанні, що становить ВПС.

На етапі придбання здійснюється фактичне придбання сировини, напівфабрикатів, комплектуючих, інформації, необхідних для виробництва продукту за відповідною технологією.

На етапі виробництва реалізується план виготовлення виробів, в результаті якого виконується ПЗ.

На етапі контролю якості готового продукту здійснюється порівняння продукту з його специфікацією і повідомлення про невідповідності, якщо такі є.

На етапі поставки готовий продукт, що пройшов контроль якості, направляється споживачу.

Функції, виконувані на перерахованих етапах, взаємопов'язані і можуть використовувати специфічні для тієї чи іншої функції дані, що розділяються між декількома функціями, або загальні для всіх функцій.

При вирішенні завдання формування ВПС необхідне формування і застосування баз даних, які містять інформацію, отриману на основі основних наукових положень технології проектування; методів математичного моделювання, системно-структурного аналізу; теорії інформації, множин, математичної логіки, управління, автоматизованого проектування та технології програмування.

Модель системи багато об’єктним технологічного проектування дозволяє не тільки уявити функції і види діяльності в автоматизованому виробництві, але є основою для його системного проектування. Модель базується на понятті "кероване динамічне виробництво", на якому виконуються наступні послідовні етапи: прийняття рішення, оцінка конструкції, технологічне проектування, верифікація, контроль проходження ПЗ через ВПС.

Реалізація математичних моделей функціонування ВПС враховує, що сучасне гнучке автоматизоване виробництво базується на масовому застосуванні обчислювальної техніки - починаючи від ПС, що мають, як правило, вбудовані мікропроцесори, і кінчаючи автоматизованими робочими місцями конструкторів, технологів, диспетчерів і т. Д.. В силу фізичної розподільності цих компонентів об'єктивно виникає завдання створення відповідної розподіленої обчислювальної системи ЕОМ, що охоплює ділянки, цехи, заводи, галузі і т. д. [.

Ефективність управління реальної ПС залежить від послідовності і значень прийнятих рішень, а також від оперативності одержуваної інформації. Для прийняття необхідних рішень потрібне отримання відповідної інформації про ПС в реальному часі, а також про минуле або можливе майбутнє. Оскільки час на обробку інформації, що надходить обмежена, аналіз складається виробничої ситуації і формування відповідної команди управління потрібно автоматизація виконання зазначених дій. Це призводить до необхідності використання моделей, що імітують основні дії оператора при управлінні ПС. Така система повинна володіти елементами інтелектуального управління.

На рис. 1 представлена ​​структурна модель процесу визначення конфігурації ВПС. Генерація варіантів здійснюється на основі еволюційного методу, що використовує генетичні алгоритми.

Рис.1. Структура процесу формування конфігурації ВПС

Для реалізації генерації варіантів відомий метод комбінування евристик. Цей метод дозволяє зменшити необхідну обчислювальну потужність всього генетичного алгоритму в цілому.

По завершенню формування чергових варіантів конфігурації ВПС виконується процес їх верифікації. Метою верифікації отриманих результатів є оцінка варіантів і вибір найкращого серед них. У випадку, якщо на будь-якому етапі генерації сформований варіант виявляється працездатним (відповідає умовам цільових функцій), такий варіант розглядається як робочий, і на його основі формується команда на практичну реалізацію в ПС.

Верифікація є комплексною процедурою, в основі якої лежить імітаційне моделювання процесів, що протікають в ВПС. На окремих етапах імітаційного моделювання здійснюється локальна оптимізація із застосуванням таких методів, як лінійне програмування, динамічне програмування і т. Д. Вибір конкретного методу залежить від типу поточного завдання.

Імітаційне моделювання дозволяє виділити із загальної задачі моделювання окремі локальні, для вирішення яких можуть бути застосовані зазначені методи. Метою цього етапу є спроба знаходжень в рамках згенерованої поточної конфігурації ВПС найкращого варіанту з точки зору обсягів використовуваних у ній виробничих ресурсів при забезпеченні заданих умов.

Якщо найкращий отриманий варіант конфігурації не відповідає заданим умовам, відбувається ранжування згенерованої популяції. На основі ранжированого популяції здійснюється формування нової популяції, і далі процес повторюється до отримання робочого варіанту.

Після отримання масивів даних про технологічних операціях, виконання яких в тому чи іншому складі і послідовності забезпечує виконання ПЗ, необхідне формування остаточних маршрутів їх виконання та послідовності запуску в ВПС.

Це завдання є складною на увазі високої обчислювальної потужності внаслідок високої розмірності. Як показують дослідження, при вирішенні подібних завдань слід застосовувати методи еволюційного пошуку раціонального рішення.

Одним з таких методів є метод на основі використання генетичних алгоритмів. Згідно з методом генетичних алгоритмів, можливі рішення представляються у вигляді набору хромосом (популяцій). Процес формування хромосом може здійснюватися двома способами. При першому способі в якості генів використовуються безпосередньо проектовані параметри. Тоді кожному локусу відповідає одна технологічна операція, а генами є операції з маршруту виконання ПЗ. Значенням i-го гена буде технологічна операція, виконувана i-й в маршруті обробки.

При другому способі генами не є параметри технологічного процесу (проектовані параметри), а номери евристик, що використовуються для визначення послідовності технологічного маршруту.

Такий підхід отримав назву метод комбінування евристик. Цей метод передбачає пошук послідовності евристик, що забезпечує оптимальний варіант технологічних маршрутів та їх склад. При використанні зазначеного методу число потрібних генів у хромосомі в два рази менше, ніж при використанні першого способу. Якщо число використовуваних евристик одно К, то потужність W безлічі можливих хромосом становить

де N - число найменувань елементів, що складають ПЗ.

Для організації алгоритму пошуку робочого варіанту розподілу ТП в ВПС вводять обмеження цільової функції.

1. Задіяти мінімальне число шарів ОПВ, т. К. В цьому випадку скорочується обсяг транспортних витрат, зменшується кількість договорів і виробничих зв'язків.

2. Виконання заданих термінів, т. К. Зрив термінів неприпустимий.

3. Забезпечення мінімальної собівартості.

Для вирішення поставленого завдання використовуються наступні евристики.

Евристики для вибору черговий технологічної операції:

1. Вибирається ПЗ з найбільш "коротким" терміном.

2. Вибирається ПЗ, що вимагає використання нетипових видів обробки (наприклад розмірна: електрохімічна, лазерна і т. д.).

3. Вибирається ПЗ з найменшим часом закінчення обслуговування на попередній стадії.

4. Вибирається ПЗ з найменшою тривалістю виконання чергової операції.

5. Вибирається ПЗ з найбільшою тривалістю виконання чергової операції.

6. Вибирається ПЗ з аналогічною виконуваної операцією на даному виді технологічного обладнання.

Евристики для вибору ПС:

1. Вибирається ПС, в якій є можливість виконання необхідних специфічних технологічних операцій (розмірна обробка: лазерна, хімічна, електроерозійна і т. Д.).

2. Вибирається ПС, в якій є можливість здійснення всього необхідного набору технологічних операцій.

3. Вибирається ПС, в якій виконання ПЗ буде мати мінімальну собівартість.

4. Вибирається ПС, в якій виконання чергової операції ПЗ закінчиться раніше, ніж в інших.

5. Вибирається ПС, в якій час виконання чергової операції мінімально.

Отримані дві групи евристик позначимо, відповідно, символами А і В. Тоді кожну евристику першої групи позначимо як Al, A2,..., А6, а кожну евристику другої групи позначимо як В1, В2,..., В5. Використовуючи розроблені евристики в їх позначеннях, формують комбінації з 30 можливих варіантів:

Таблиця 1.1

Е1 = (А1, В1)	E2 = (Al, B2)	ЕЗ = (А1, ВЗ)	Е4 = (А1, В4)	Е5 = (А1, В5)
Е6 = (А2, В1)	Е7 = (А2, В2)	Е8 = (А2, ВЗ)	Е9 = (А2, В4)	Е10 = (А2, В5)
Ell = (A3, B1)	E12 = (A3, B2)	Е13 = (АЗ, ВЗ)	E14 = (A3, B4)	Е15 = (АЗ, В5)
E16 = (A4, B1)	Е17 = (А4, В2)	E18 = (A4, B3)	Е19 = (А4, В4)	Е20 = (А4, В5)
E2l = (A5, Bl)	Е22 = (A5, B2)	Е23 = (А5, ВЗ)	Е24 = (А5, В4)	Е25 = (А5, В5)
Е26 = (А6, В1)	Е27 = (А6, В2)	Е28 = (А6, ВЗ)	Е29 = (А6, В4)	Е30 = (А6, В5)

Використання методу комбінування евристик передбачає формування популяції хромосом, що складається з генів - аналогів кожної з перерахованих у таблиці 1.1 комбінацій евристик. Розмір кожної хромосоми визначається числом задіяних одиниць технологічного обладнання в ВПС. Розмір популяції визначається кількістю ПЗ. Структура популяції на деякому проміжному етапі має такий вигляд (таблиця 1.2):

Таблиця 1.2.
				…	m-1	m
	ЕЗ	Е8	Е20	…	Е4	Е5
	Е18	Е23	Е29	…	ЕЗО	Е23
…	…	…	…	…	…
n	Е26	Е22	Е13	…	Е9	Е20

На підставі аналізу еволюції хромосом від популяції до популяції виробляється модифікація конфігурації ВПС. Якщо в результаті еволюції формується робочий варіант, що задовольняє цільової функції, проводиться спроба виключення зі складу ВПС технологічного обладнання, або навіть цілої РПС, використанню якої відповідають евристики, мінімально повторювані в послідовності генів хромосоми.

У випадку, якщо в результаті еволюційних перетворень не вдається отримати працездатний варіант, до складу формованої ВПС вводять додаткові одиниці технологічного обладнання використовуваних РПС, або елементи інших, що не використовуються до цього частин РПС, але які відповідають евристикам, максимально часто зустрічається в послідовності генів хромосоми.