МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное агентство по образованию
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики
Кафедра технологии приборостроения
Т.И. Алиев, Б.С. Падун
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2012
УДК 658.512.4: 681.322.1 (07)
Т.И. Алиев, Б. С. Падун. Проектирование моделей технической подготовки производства, Учебное пособие, - СПб.: Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2012. - с.180.
Учебное пособие предназначено для изучения основных положений построения моделей и моделирования производственных процессов, технологических систем и вычислительных процессов при автоматизации технической подготовки производства в приборостроении и машиностроении. Рассматриваются способы системного анализа и унификации процессов технологической подготовки производства.
Изложен метод анализа интегрированной информационной системы конструкторского и технологического проектирования. Рассмотрены имитационные и аналитические методы моделирования технологических систем.
Одобрено на заседании кафедры технологии приборостроения 20 октября 2012 г.
Одобрено на заседании методической комиссии факультета ТМ и Т 27 октября 2012 г.
© Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий,
механики и оптики, 2012
© Т. И. Алиев, Б. С. Падун, 2012
Оглавление
Введение …………………………………………………………………... |
7 |
Раздел 1. Теоретические положения построения моделей …………….. |
9 |
Глава 1. Анализ производственных задач ………………………… |
9 |
1.1. Актуальность моделирования при решении производственных задач ………………………………….. |
9 |
1.2. Объекты моделирования в производственных системах . |
12 |
1.3. Анализ процессов исследования и проектирования информационных систем ………………………………… |
14 |
1.4. Анализ процесса проектирования и исследования технологических систем …………………………………. |
24 |
1.5. Анализ процесса проектирования и исследования технических систем ………………………………………. |
26 |
Глава 2. Основные понятия процесса проектирования моделей и моделирования ……………………………………………... |
30 |
2.1. Понятия «система» и «сложная система» ……………….. |
30 |
2.2. Описание сложной системы ……………………………… |
34 |
2.3. Эффективность сложной системы ……………………….. |
36 |
2.4. Состояния и процессы системы ………………………….. |
39 |
2.5. Основные понятия моделирования ………………………. |
40 |
2.6. Классификация моделей ………………………………….. |
43 |
2.7. Модельные параметры и характеристики ……………….. |
44 |
2.8. Задачи моделирования ……………………………………. |
45 |
2.9. Методы моделирования …………………………………... |
46 |
Глава 3. Математические модели дискретных систем …………….. |
49 |
3.1. Поток заявок ………………………………………………. |
49 |
3.2. Системы массового обслуживания ……………………… |
51 |
3.2.1. Основные определения ………………………………. |
51 |
3.2.2. Длительность обслуживания заявок ………………… |
53 |
3.2.3. Дисциплины управления потоками заявок …………. |
54 |
3.2.4. Классификация моделей систем массового обслуживания ………………………………………… |
56 |
3.2.5. Параметры систем массового обслуживания ………. |
58 |
3.2.6. Режимы функционирования систем массового обслуживания ………………………………………… |
59 |
3.2.7. Характеристики систем массового обслуживания с однородным потоком заявок ……………………….. |
60 |
3.2.8. Характеристики систем массового обслуживания с неоднородным потоком заявок …………………….. |
60 |
3.3. Сети массового обслуживания …………………………... |
61 |
3.3.1. Основные определения ………………………………. |
61 |
3.3.2. Классификация моделей систем массового обслуживания ………………………………………… |
63 |
3.3.3. Параметры сетей массового обслуживания ………… |
65 |
3.3.4. Режимы функционирования сетей массового обслуживания ………………………………………… |
65 |
3.3.5. Характеристики сетей массового обслуживания …... |
66 |
Глава 4. Аналитическое моделирование …………………………… |
69 |
4.1. Одноканальные системы массового обслуживания с однородным потоком заявок …………………………….. |
69 |
4.1.1. Характеристики экспоненциальной системы массового обслуживания …………………………….. |
70 |
4.1.2. Характеристики неэкспоненциальной системы массового обслуживания …………………………….. |
70 |
4.1.3. Анализ свойств одноканальной системы массового обслуживания …………………………….. |
71 |
4.2. Многоканальные системы массового обслуживания с однородным потоком заявок ……………………………. |
72 |
4.2.1. Характеристики многоканальной системы массового обслуживания …………………………….. |
72 |
4.2.2. Анализ свойств многоканальной системы массового обслуживания …………………………….. |
73 |
4.3. Одноканальные системы массового обслуживания с неоднородным потоком заявок ………………………... |
75 |
4.3.1. Характеристики и свойства ДО БП ………………….. |
76 |
4.3.2. Характеристики и свойства ДО ОП …………………. |
78 |
4.3.3. Характеристики и свойства ДО АП …………………. |
80 |
4.3.4. Законы сохранения …………………………………… |
82 |
4.4. Разомкнутые экспоненциальные сети массового обслуживания с однородным потоком заявок ………….. |
84 |
4.4.1. Описание разомкнутых сетей массового обслуживания …………………………………………. |
84 |
4.4.2. Режимы функционирования разомкнутых сетей массового обслуживания …………………………….. |
85 |
4.4.3. Расчет коэффициентов передач и интенсивностей потоков заявок в узлах разомкнутых сетей массового обслуживания …………………………….. |
86 |
4.4.4. Расчет узловых характеристик разомкнутых сетей массового обслуживания …………………………….. |
86 |
4.4.5. Расчет сетевых характеристик разомкнутых сетей массового обслуживания …………………………….. |
88 |
4.5. Замкнутые экспоненциальные сети массового обслуживания с однородным потоком заявок ………….. |
88 |
4.5.1. Режимы функционирования замкнутых сетей массового обслуживания …………………………….. |
89 |
4.5.2. Расчет коэффициентов передач в узлах замкнутых сетей массового обслуживания ……………………… |
89 |
4.5.3. Расчет характеристик замкнутых сетей массового обслуживания …………………………….. |
90 |
Глава 5. Численное моделирование ………………………………… |
92 |
|
|
Глава 6. Имитационное моделирование ……………………………. |
92 |
|
|
Глава 7. Линейные графы …………………………………………… |
94 |
7.1. Основные определения графов связи ……………………. |
95 |
7.2. Категории и виды многосвязных элементов ……………. |
96 |
7.3. Обобщающие определения ………………………………. |
98 |
7.3.1. Многосвязные поля …………………………………... |
98 |
7.3.2. Модулированные 2-связные узлы …………………… |
100 |
7.3.3. Узловая структура ……………………………………. |
100 |
Раздел 2. Моделирование производственных систем ………………….. |
103 |
Глава 8. Метод синтеза и оценки эффективности интегрированной информационной системы предприятия ………………………………………………… |
103 |
8.1. Задачи и методы анализа эффективности информационно-вычислительных систем предприятия .. |
103 |
8.2. Концептуальная модель информационной системы предприятия ………………………………………………. |
112 |
8.3. Параметры интегрированной информационной системы предприятия ………………………………………………. |
116 |
8.4. Оценка пропускных способностей каналов связи ……… |
117 |
8.5. Определение требований к производительности центрального сервера информационной системы ……… |
120 |
8.6. Анализ временных характеристик интегрированной информационной системы предприятия ………………... |
125 |
8.6.1. Модели обработки данных …………………………... |
125 |
8.6.2. Модели передачи данных ……………………………. |
127 |
Глава 9. Анализ инструментальной подготовки производства на предприятии ………………………………………………… |
131 |
9.1. Основные понятия инструментального производства ... |
143 |
9.2. Концептуальная модель инструментального производства на предприятии …………………………… |
105 |
Глава 10. Моделирование механообрабатывающей технологической системы …………………………………. |
143 |
10.1. Необходимость моделирования технологической подготовки производства ………………………………... |
143 |
10.2. Основные этапы анализа предприятия ………………… |
143 |
10.1. Пример моделирования динамической системы …… |
148 |
10.4. Механическая интерпретация понятий линейных графов ……………………………………………………. |
101 |
Глава 11. Моделирование автоматизированной линии сборки …… |
|
11.1. Описание автоматизированной линии сборки ………… |
156 |
11.2. Дополнительные понятия к моделированию ………….. |
160 |
11.3. Состав задач моделирования процессов функционирования технологической линии сборки …. |
156 |
11.4. Концептуальные модели функционирования технологической линии сборки ………………………… |
157 |
Глава 12. Моделирование узла оптического прибора ……………... |
|
|
|
Заключение ………………………………………………… |
166 |
Глава 13. Программные системы моделирования производственных систем ……………………… |
148 |
Заключение ……………………………………………………………….. |
169 |
Приложение 1. Элементы теории вероятностей ……………………….. |
170 |
Приложение 2. Обозначения систем массового обслуживания ………. |
180 |
Приложение 3. Пример описания и расчета замкнутой однородной экспоненциальной сети массового обслуживания ………………. |
182 |
Литература ………………………………………………………………... |
184 |
|
|
|
|
Глава 8. Анализ эффективности интегрированной информационно-вычислительных систем предприятия … |
108 |
|
|
|
|
Введение
Перед любым промышленным предприятием стоит задача: обеспечить высокую эффективность и конкурентную способность своего производства. Это требует постоянного его совершенствования. Научно-технический прогресс в области производства характеризуется повышением его автоматичности и интеллектуальности. Современное производство строится на основе интеллектуальных рабочих мест: станков с числовым программным управлением, промышленных роботов, автоматических линий, автоматических транспортных и складских средств и других подобных механизмов. Они функционируют как относительно автономные производственные единицы, но объединены в единую производственную систему (технологическую линию, участок, цех, завод). Такое производство требует специальную систему управления технологическими процессами, а для проектирования технологической системы и формирования управляющих воздействий, необходимые для ее функционирования, – системы технологической и организационно-технической подготовки производства и оперативного управления. Управляющие воздействия формируются в виде управляющих программ для программируемого оборудования, графиков запуска-выпуска деталей, письменных и устных распоряжений.
Качество и стоимость производственной системы начинает закладываться на этапе конструкторской и технологической подготовки производства, т.к. создание высокотехнологичной конструкции изделия с учетом производственных возможностей конкретного предприятия позволяет рационально использовать имеющиеся на нем ресурсы. От качества функционирования названных систем зависит эффективность работы не только производства, но и всего предприятия. Объем работ по управлению и подготовке автоматизированного производства резко возрос, поэтому возникает потребность в их автоматизации.
Таким образом, необходимо тщательно прорабатывать проекты по созданию и развитию систем управления и проектирования на предприятии. Для этой цели необходимо разработать методику определения состояния и перспектив совершенствования систем управления производством и инженерного труда на предприятии. Методика должна опираться на количественные оценки основных категорий процессов управления производством и проектирования (оперативность управления, обоснованность принимаемых решений, охват, централизация, адаптивность и др.), структур управления, состава производственных систем и т.д. Оценив состояние и сравнив варианты проекта развития производства и систем управления и проектирования, можно определить тактические и стратегические задачи по дальнейшему их развитию. Расширяя круг количественно оцениваемых показателей эффективности управления производством и проектирования, формируются полные комплексы задач внутренней и внешней оптимизации. После чего можно качественно отследить во времени изменение целесообразности систем и подсистем управления и проектирования, в том числе и программных приложений, применяемых для обеспечения управления производством и инженерного проектирования.
Следовательно, объектом анализа и оценки являются автоматизированное производство и автоматизированные системы управления и проектирования. Такая интеграция позволит обеспечить общность методики.
Автоматизированная система управления предприятием и ее компоненты являются сложными системами, поэтому проектирование, эксплуатацию и анализ таких систем следует осуществлять только с использованием принципов системного подхода. Следовательно, методической основой рассуждений должна стать теория сложных (больших) систем. Одним из свойств больших систем является способность к управлению, характеризующая не столько структуру, сколько поведение системы, возможность существования в ней актов решения, т.е. выбора варианта из альтернативного множества решений. Отличительная особенность больших систем: их поведение направлено на достижение некоторого предпочтительного состояния, называемого целью системы.
Метод оценки и исследования проектов и развития систем управления производством и инженерного проектирования должен учитывать поведение управляемых объектов, несовпадение их локальных критериев оптимизации с глобальным критерием, который относится к системе в целом, протекание процессов централизованного управления и проектирования во времени.
Результат анализа и оценки должен содержать количественные оценки качества функционирования и эксплуатации систем управления и проектирования, адаптивности (способность отслеживать изменения управляемого объекта) и эволюционности (способность к дополнению и изменению своих функций) этих систем, стоимость систем и т.д., а также рекомендации по совершенствованию систем управления и проектирования.
Для анализа и синтеза реальных машин, приборов и технологических процессов, которые обычно именуются системами, используется моделирование. При исследовании систем приходится прибегать к определенным допущениям, которые относятся к функционированию систем. Эти допущения закладываются в математические и логические отношения, описывающие системы. Такое описание называется моделью системы, с помощью которой можно получить представление о поведении реальной системы. Если отношения, которые образуют модель, описываются аналитическими зависимостями, то такие решения называются аналитическими. Если отношения сложные и нет возможности задать модель аналитически, то используются компьютерные технологии для численной оценки модели, а с помощью полученных данных рассчитываются реальные характеристики системы.