Информационно-вычислительные системы в машиностроении CALS-технологии (Соломенцев, 2003)

Одним из результатов исследований в этом направлении явилось ясное представление о замкнутой на рынок модели расширенной про­ изводственной системы, которую схематически можно представить следующим образом (рис.1.2.):

Рис. 1.2. Модель расширенной производственной системы, замкнутой на рынок

В реальртых условиях схема удовлетворения потребностей слож­ нее и может включать в себя, кроме производствешюго цикла, циклы распределения, потребления и утилизации отходов. Совокупность всех этих циклов образует производительную сеть для удовлетворе­ ния рассматриваемой потребности рынка. Рассматриваемые задачи и составляют содержательное ядро компьютеризовагшых информаци­ онных систем, охватывающих все этапы жизненного цикла изделия. Информационные системы такого типа получили за рубежом назва­ ние CALS (Continuos Acquisition and Life Cycle Support - поддержка жизненного цикла изделия), а процессы их функционирования - CALS-технологий.

Как уже было сказано, целью CALS-технологий является разра­ ботка методологии ускорения ведения проектов по созданию

объектов высоких технологий, т.е. увеличение производительности труда на всех этапах жизненного цикла создания изделия.

Детальная разработка понятия открытой производственной сис­ темы является задачей дальнейших исследований. Хотелось бы наде­ яться, что их результатом станет архитектура интеграции открытых производственных систем (OMSI - Open Manufacturing System In­ tegration), создающая общую концептуальную и терминологическую базу для работ по автоматизации производства и CALS-технологиям.

Понятия изделия и его жизненного цикла являются центральны­ ми в рассматриваемой концепции производственной системы (ПС). Они лежат в основе анализа организационной структуры ПС, а также методологии создания новых видов сложной продукции. Более того, рассматривая саму ПС как сложное изделие, можно в рамках общего подхода исследовать задачу построения методологии проектирова­ ния, внедрения и сопровождения производственных систем.

Обобщая, можно сказать, что на повестку дня выходит проблема разработки обшей концепции управления созданием изделий, в зна­ чительной степени независящей от их конкретного вида.

Под изделием мы будем понимать сложный технический объект, удовлетворяющий долговременные интересы многих потребителей и допускающий, вообще говоря, множество вариантов его использова­ ния самими потребителями без непосредственного контакта с произ­ водителем.

Данное определение подчеркивает главные черты изделия:

•наличие многих (и даже непредвиденных) вариантов исполь­ зования;

•возможность использования без непосредстветюй помощи из­ готовителя;

•долговременный характер использоватшя (несколько лет и более). Примерами изделий в смысле данного определения могут слу­

жить такие виды промышленной продукции, как станки, автомобили. ЭВМ, телевизоры, программное обеспечение.

В настоящее время все большее распространение получает кон­ цепция управления предприятием на основе понятия жизненного цикла изделия, под которым понимают интервал времени от момента осознания потребности в создании изделия до момента окончания его обслуживания у пользователя. Жизненный цикл изделия имеет опре­ деленную структуру, т.е. он разбивается на ряд отрезков. Для каждо­ го вида изделий могут существовать свои варианты разбиения жиз­ ненного цикла.

22 Глава 1. Концептуальный аспект САLS-технологий

Здесь мы рассмотрим один из таких вариантов, который может быть в дальнейшем уточнен. Жизнетнтый цикл разбивается на ряд фаз. В каждой фазе решаются свои специфические задачи в общем процессе создания изделий. Фазы могут частично перекрываться, что соответствует естественному ходу вещей и, кроме того, позволяет со­ кратить сроки создания изделия.

Предлагаемый вариант декомпозиции включает в себя следую- щие фазы: анализ потребности в изделии, проектирование изделия, техническая подготовка производства изделия, производство изде­ лия, продвижение изделия к потребителю, использование и утилиза­ ция изделия.

Разбиение жизненного цикла на фазы позволяет произвести в первом приближении декомпозицию задачи управления жизненным циклом изделия.

Однако ее недостаточно для определения функциональной структуры предприятия, создающего новые изделия. Необходима до­ полнительная декомпозиция по функциям управления жизненным циклом.

Вчисло функций управления жизненным циклом входят: менед­ жмент, обеспечение качества, разработка, изготовление, сопровожде­ ние, документирование, обслуживание.

Каждая функция имеет свою интерпретацию для каждой фазы. Так, например, функция изготовления в фазе технической подготов­ ки может включать в себя изготовление опытного образца, а в фазе производства выпуск серийных (промышленных) образцов. Соответ­ ственно, в этих двух фазах существенно различаются требования к уровню автоматизации, методы планирования и др.

Врезультате получается матрица задач «фаза-функция», кото­ рая фактически определяет матричную структуру предприятия, (рис.1.3).

На втором уровне декомпозиции можно рассматривать разбие­ ние фаз на более мелкие этапы и/или уточнить список функций. В результате получается новый набор матриц, каждая из которых соот­ ветствует клетке исходной матрицы, определяющей декомпозицию первого уровня.

Подобная процедура декомпозиции, следующая методологии структурного анализа, носит регулярный характер, что позволяет упорядочить процесс построения организационной структуры пред­ приятия и структурировать сам процесс управления его (этого пред­ приятия) жизненным циклом.

Из сказанного следует, что управление производственной систе­ мой, по существу, означает параллельное управление жизненным циклом изделий, одновременно существуютцих в системе.

построения ото1)раже1тия т^^атртщы :з^да^Т1'а тпр^ю^^р^ Tit>^>'b'b^7i%YrAYi

при следующих ограничениях:

-сохранение функциональности подразделений;

-минимизация связей между подразделениями;

-сохранение размеров подразделений (на каждом уровне иерар­

хии) в разумных пределах для обеспечения управляемости; - обеспечение гибкости реорганизации.

Логика взаимодействия подразделений определяется последова­ тельностью фаз жизненного цикла, а также связями между частными задачами управления внутри каждой фазы.

Можно сформулировать основные требования к автоматизации производственных систем:

•автоматизация на каждом этапе должна охватывать функцио­ нально законченную в организационном, производственном и управленческом плане подсистему, с тем чтобы уменьшить трудности ее интеграции в реальный производственный про­ цесс;

•автоматизированная система должна иметь развитую органи­ зационно-методическую поддержку разработки, внедрения, обучения, использования и сопровождения;

•автоматизированная система должна быть открытой, т.е. для нее должен быть определен на программно-аппаратном уровне интерфейс, обеспечивающий ее стыковку с другими автомати­ зированными системами;

•для автоматизированной системы должен быть предусмотрен регулярный механизм структурной, функциональной и пара­ метрической настройки на конкретные условия применения;

•в рамках автоматизированной системы должен быть обеспечен удобный для персонала интерфейс, рассчитанный на неподго­ товленного пользователя, не являющегося программистом; об­ щение (диалог) системы с пользователем должно вестись в тер­ минах и понятиях предметной области, привычной для пользо­ вателя.

Введенные выше понятия образуют концептуальную базу иссле­ дований по созданию компьютеризированных интегрированных про­ изводств. Следующим шагом является разработка их архитектуры.

Под архитектурой технической системы (в данном случае ИПС) понимается структурно-функциональная модель, описывающая:

-состав системы (элементы: подсистемы, уровни, компоненты);

-функции элементов;

-связи и взаимодействие (интерфейсы) элементов;

-правила композиции элементов.

Важной особенностью архитектуры является то, что каждая выде­ ляемая при декомпозиции подсистема имеет вполне определенное функциональное назначение. Более того, уточнение функции подсис­ темы достигается с помощью описания ее интерфейса, т.е. полного на­ бора ее связей (материальных, информационных, алгоритмических и т.д.) с объемлющей системой, а точнее с другими системами. Фактиче­ ски, описание интерфейса подсистемы определяет ее внешнее поведе­ ние, в то время как внутренние механизмы реализации этого поведе­ ния не рассматриваются (на определенном уровне детализации).

Таким образом, архитектура определяет модель множества реа­ льных систем, имеющих различную реализацию, но эквивалентных в том смысле, что они построены из одного набора компонентов по оди­ наковым правилам, полностью определяемым набором описаний ин­ терфейсов компонентов.

Подобный подход к проектированию систем, основанный на функциональной структуризации, обладает следующими основными преимуществами:

•особое внимание уделяется функциональному описанию систе­ мы, которое является наиболее важным и трудоемким при про­ ектировании систем со сложным поведением;

•каждая функция выделяется как самостоятельная лишь в том случае, когда возможно ее определение через четкое и неодно­ значное описание внешнего поведения компонента, реализую­ щего данную функцию; данное условие обеспечивает строгость описания системы на каждом уровне детализации, способствуя в конечном счете улучшению качества проекта;

•определяются предпочтительные варианты реализации систе­ мы, в которых граница между «реальными» подсистемами проходит по границе между подсистемами, выделенными в структурно-функциональной модели; таким образом, реализа­ ция сохраняет логическую структуру, что повышает ее «понят­ ность» и облегчает в дальнейшем обучение и сопровождение;

•обеспечивается возможность распараллеливания на возможно более ранней стадии работ по проектированию и реализации системы;

•облегчается стыковка компонентов и комплексная отладка сис­ темы за счет наличия четких требований к взаимодействию подсистем и компонентов;

•облегчается развитие системы за счет возможности улучшения реализации, а также удаления/добавления отдельных элемен­ тов при соблюдении их системных интерфейсов; при этом из­ менения всегда носят «локальный» характер: изменение

26 Глава 1. Концептуальный аспект CALS-технологий

внутреннего механизма функционирования отдельного компо­ нента при сохранении его внешнего поведения не нарушает це­ лостности системы. Примером архитектуры сложной техниче­ ской системы может служить эталонная модель соединения от­ крытых систем, описывающая принципы иерархически моду­ льного построения сетей ЭВМ.

Из сказанного можно сделать некоторые выводы.

1. Рассмотрен ряд проблем концептуального проектирования ин­ тегрированных производственных систем и намечен подход к их ре­ шению, который может быть использован при создании методологии сквозного проектирования интегрированного автоматизированного производства - от общей концепции производственной системы до разработки программно-аппаратного обеспечения

2. Тенденции развития современного производства выдвигают задачу создания единой концепции нового поколения производствен­ ных систем, охватывающей вопросы экономики, организации, проек­ тирования, технологии и управления. Проведенный анализ показы­ вает, что базой для создания подобной концепции целесообразно вы­ брать понятия изделия, жизненного цикла изделия, функций управ­ ления жизненным циклом и открытой системы.

Предлагаемый подход позволяет:

-придать определешюсть понятию интегрированного производства;

-провести регулярную декомпозицию задач управления произ­ водственной системой;

-трактовать управление производственной системой как парал­ лельное управление жизнетнгыми циклами изделий, одновре­ менно существующих в системе;

-рассматривать производстветптую систему как регулярттую ком­ позицию открытых систем, полностью описываемых своим внешним интерфейсом;

-применить общие решения к созданию производственных сис­ тем, не поддерживающих полный жизненный цикл, обеспечив тем самым их совместимость и упорядочетпюе развитие в смыс­ ле расширения состава функций управления жизненным цик­ лом изделия и повышения уровтш их автоматизации.

3. Локальная автоматизация (т.е. автоматизация отдельных фун­ кций) управления производством не может дать радикального эф­ фекта. Поэтому необходима комплексная автоматизация на базе це­ лостной архитектуры системы управления. Разработка подобной ар­ хитектуры в рамках общей концепции производственной системы по­ зволяет:

-определить области и направления стандартизации в сфере комплексной автоматизации производства;

-обеспечить гарантированный уровень функциональных воз­ можностей системы управления;

-обеспечить инвариантность системы управления по отношению к конфигурации технологического оборудования и средств управления,

-облегчить комплексирование оборудования, а также програм­ мно-аппаратных средств, имеющих стандартные в рамках ар­ хитектуры внешние интерфейсы, а следовательно, сократить затраты па индивидуальное проектирование;

-сократить время проектирования и реализации за счет распа­ раллеливания работ по подсистемам при условии соблюдения их внешних интерфейсов,

-создать автоматизированную систему структурно-параметриче­ ской настройки (генерации) программного обеспечения на кон­ кретные конфигурации оборудования и средств управления;

-облегчить сопровождение и модификацию системы за счет ло­ кализации вносимых изменений.

4. Анализ функциональной структуры интегрированной произ­ водственной системы показал, что она носит существенно распреде­ ленный характер - в том смысле, что каждая из функций управления жизненным циклом имеет свою интерпретацию во всех фазах жиз­ ненного цикла на всех уровнях организационной иерархии. При этом подавляющее большинство связей между функциями носит организа­ ционный характер. Из этого следует, что производство следует рас­ сматривать как коллектив распределенных систем организационного типа, обладающих своим поведением. Соответственно, требуется раз­ витие новых методов исследования и проектирования организацион­ но-технических систем, ориентированных прежде всего на описание

иучет их поведенческого аспекта.

Вкачестве примера реализации указанного выше приведем Предложение фирмы Галика АГ по системам автоматизированного проектирования и подготовки производства.

Фирма ГАЛИКА АГ, Швейцария, с начала 1980-х годов занима­ ется поставками прецизионного технологического оборудования для машиностроительных заводов, а также программно-технических комплексов для проектирования различных изделий и подготовки их

производства, т.е. C A D / C A M / C A E системы и решения. Работа с клиентом предусмотрена не только в части поставки конкретных сис­ тем, но и в работе по обеспечению системной интеграции поставляе­ мых комплексов, их соответствия существующим деловым и техноло­ гическим процессам.

Стратегия системной интеграции. Глобальная задача систем­ ной интеграции предприятия как практической деятельности состоит в том, чтобы обеспечить его структурное построение и функциониро­ вание как единого целого на основе средств информационной техно­ логии и техники управления с целью вывести предприятие на качест­ венно новый, высокий, уровень показателей продуктивности и эф­ фективности. Системная интеграция предполагает целенаправленное реформирование предприятия согласно разработанной модели (кор­ поративной модели), которое называется реинжинирингом (более традиционно реинжинирингом бизнес-процессов) и охватывает прак­ тически все сферы деятельности предприятия.

В части системной интеграции фирма исходит из того, что биз­ нес-процессы на машиностроительном предприятии традиционно до­ пускают деление па следующие категории:

•маркетинг и новые разработки;

•конструирование изделий;

•технологическая подготовка производства изделий;

•материальное снабжение;

•производственные процессы;

•сбыт;

•процессы управления различными ресурсами (финансы, произ­ водственная инфраструктура, оборудование, персонал и т.д.).

Естестветпю, различные процессы в рамках работы по системной интеграции подкрепляются различными программно-аппаратными средствами, примерно как показано на рис. 1.4.

Примерная структура связи бизнес-процессов и програм­ мно-аппаратного комплекса фирмы Галика. Рассматривая предпри­ ятие как единое целое, в указанном спектре процессов фирма концен­ трирует свою деятельность только вокруг конструирования и техно­ логической подготовки производства, рассматривая их как наиболее наукоемкий и взаимоувязанный комплекс «технических бизнес-про­ цессов». В основе решения задачи реинжиниринга технических биз­ нес-процессов машиностроительного предприятия фирма использует американскую систему Optegra фирмы Computervision, т.е. задача увязывания и оптимизации технических процессов решается главным образом средствами системы Optegra.

Реинжиниринг остальных процессов, условно называемых «об­ щими бизнес-процессами», фирма предпочитает проводить в парт­ нерстве с другими фирмами, специализирующимися в секторе нетех­ нической деятельности предприятия, и которые являются поставщи­ ками систем управления по общим бизнес-процессам (корпоратив­ ных систем). Например,