загрузка...
 
2.2. Моделювання процесу проектування складних виробів на основі теорії функціональних систем
Повернутись до змісту

2.2. Моделювання процесу проектування складних виробів на основі теорії функціональних систем

Рис. 2.14. Сукупність процесів проектування і розроблення продукції виробничо–технічного призначення

Під проектуванням і розробленням нової або модернізацією продукції, що виготовляється, розуміють увесь комплекс, який поєднує науково–дослідні (НДР), дослідно–конструкторські (ДКР) і дослідно–технологічні роботи (ДТР), економічні дослідження, технологічну підготовку виробництва й дослідне виробництво, у тому числі нормування, комплектування і матеріально–технічне забезпечення (МТЗ)(рис. 2.14). Усю сукупність процесів проектування і розроблення виробів можна розділити на дві категорії:

– процеси управління проектом, які містять опис і організацію діяльності за проектом;

– процеси, які орієнтовані на виріб, визначальні для ЖЦ проекту і стосуються безпосередньо специфікації та виробництва нового виробу.

Для розроблення ефективних проектних рішень процеси конструкторського і технологічного проектування необхідно розглядати як взаємозв’язаний ланцюг у системі проектування з урахуванням економічного обґрунтування створюваних виробів на всіх стадіях їх ЖЦ.

Рис. 2.15. Загальна архітектура функціональної системи, що є основою «концептуального моста» між рівнями системних і аналітичних процесів

Досягнення в галузі нейрофізіології дають початкове розуміння механізму функціонування складних систем. Визначаючи функціональну систему як динамічну, саморегульовану організацію, що вибірково об’єднує структури і процеси на основі нервових і гуморальних механізмів регуляції для досягнення корисних для системи та організму в цілому пристосованих  результатів, Анохін П. К. розширив зміст цього поняття на структуру будь–якої цілеспрямованої поведінки. Із цих позицій можна розглядати і структуру функціональної підсистеми проектування. Відповідно до теорії П. К. Анохіна   загальна архітектура функціональної системи є основою «концептуального моста» між рівнями системних і аналітичних

процесів (рис. 2.15).

Вона містить такі елементи:

– аферентний синтез;

– прийняття рішення;

– апарат передбачення необхідного результату – акцептор результату дії;

– формування програми дії – еферентний синтез, що забезпечує реалізацію вирішеного в дії, тобто спосіб досягнення адаптивного результату;

– багатокомпонентну дію;

– звірення (розпізнавання) за допомогою зворотної аферентації параметрів досягнутого результату в акцепторі результату дії.

Функціональна система – це певна організація активності різних елементів, що приводить до досягнення відповідного корисного результату. Початковою стадією біологічної функціональної системи є аферентний синтез – процес зіставлення, звірення (розпізнавання), відбору і синтезу різноманітних за значенням аферентних потоків. За аналогією до функціональної підсистеми проектування початковою стадією є процес збору, аналізу, синтезу і розпізнавання різної інформації про виріб.

Аферентний синтез містить чотири компоненти, які підлягають обробці із одночасною взаємодією на цій стадії функціональної системи: домінуюча на даний момент мотивація, що утворюється на основі специфічної потреби; обстановочна аферентація, яка є дією на організм усієї сукупності зовнішніх факторів, складових конкретного стану, а також відповідна даному моменту пускова аферентація, компонент, який реалізує раніше сформовану передпускову інтеграцію збуджень у дію і пам’ять. Основною умовою аферентного синтезу є одночасне зіткнення усіх чотирьох компонентів. Аферентний синтез приводить до вирішення питання, який саме результат має бути отриманий у даний момент, забезпечує встановлення мети, досягненню якої і буде присвячено все подальше функціонування системи.

Прийняття рішення є критичним процесом і важливою складовою процесу формування системи, завдяки якому аферентна оцінка всіх умов завершується доступним дослідженню механізмом. Аферентний синтез, керуючись домінуючою у даний момент мотивацією і під корекцією пам’яті (бази даних), проводить такий підбір можливих ступенів вільності, при якому інформація вибірково прямує до об’єктів, що здійснюють потрібні дії.

Будь–яке прийняття рішення після того, як закінчиться аферентний синтез, є вибором найбільш відповідних ступенів вільності в тих компонентах, які повинні скласти робочу частину системи. У свою чергу, ці ступені вільності, що залишилися, дають можливість економно здійснити саме ту дію, яка повинна привести до бажаного результату. Завдяки апарату акцептора результатів дії, в якому програмуються мета і способи поведінки, є можливість порівнювати їх із аферентною інформацією, що надходить, про результати і параметри здійснюваної дії, тобто із зворотної аферентації. Саме результати порівняння визначають подальшу побудову поведінки: або воно корегується, або припиняється, як у випадку досягнення кінцевого результату.

Акцептор результатів дії формує механізми, які дозволяють не лише прогнозувати ознаки необхідного в даний момент результату, а й звіряти (розпізнавати) їх із параметрами дійсного результату, інформація про які надходить до нього завдяки зворотній аферентації. Цей апарат дає можливість виправити помилку або довести недосконалий результат до досконалого. Отже, якщо сигнал про досконалу дію повністю відповідає заготовленій інформації, що міститься в акцепторі дії, то пошукова поведінка завершується. Відповідна потреба задовольняється. Різного роду «пошуки» і компенсації можуть привести до корисного результату через оцінку зворотної аферентації. Кожен блок цих функцій складається з компонентів: результат – зворотна аферентація – звірення (розпізнавання) і оцінка дійсних результатів в акцепторі результатів дії – корекція – новий результат.

Момент прийняття рішення і початок виходу робочих еферентних дій супроводжується формуванням широкого комплексу, що складається з аферентних ознак майбутнього результату і колатеральної копії еферентних дій, що вийшли на периферію до робочих об’єктів. Залежно від інтервалу між поставленням мети і її реалізацією в цей комплекс через певний час надходять реальні параметри отриманого результату. Процес оцінки отриманого дійсного результату здійснюється з розпізнавання прогнозованих параметрів і отриманого результату. Оцінка результату визначає подальшу поведінку системи. Якщо результат відповідає прогнозованому, то система переходить на наступний рівень. Якщо ж результат не відповідає прогнозу, то в апараті розпізнавання виникає неузгодженість, що активує орієнтовно–дослідницьку реакцію, яка, піднімаючи асоціативні можливості, допомагає активному підбору додаткової інформації. Таким чином, у концепції функціональної системи найбільш важливим ключовим етапом, що визначає розвиток поведінки, є виділення його мети. Вона представлена апаратом акцептора результатів дії, який містить два типи образів, що регулюють поведінку, – самі цілі та способи їх досягнення. Виділення мети пов’язане із операцією прийняття рішення як завершального етапу аферентного синтезу.

Рис. 2.16. Загальна архітектура функціональної підсистеми проектування:

I(t) – вектор вхідних дій;

Y(t) – вектор вихідної інформації;

HП(t) – узагальнена характеристика запланованих параметрів станів;

U(t) – вектор керуючої дії;

HT(t) – узагальнена характеристика поточних параметрів станів

Спільна архітектура функціональної підсистеми проектування машинобудівного виробу виробничо–технічного призначення може бути наведена у вигляді схеми (рис. 2.16)  . При формуванні характеристик об’єкта проектування важливим аспектом є взаємодія функціональної підсистеми ФПСпрj із зовнішнім середовищем. На початковому етапі на основі вхідної інформації I(t) про тенденції розвитку науки і техніки, ринкового попиту на продукцію, потреби потенційних покупців даних про конкурентів і нормативно–правові та законодавчі вимоги розглядають і порівнюються різні варіанти реалізації виробу Y(t), визначаються показники і критерії переваги, за якими приймають оптимальні рішення D(t).

На наступному етапі вибираються і розробляються конструкторські рішення і технологічні процеси виготовлення об’єкта проектування. Створюється дослідний зразок і проводяться випробування, що підтверджують результати проектування. Для вибору оптимальних технічних і технологічних рішень проводиться попередній аналіз параметрів проекту. Формується керуюча дія U(t). При оцінці ефективності проектування враховуються не лише порівняльні характеристики виробу, що розробляється, а й умови виготовлення та експлуатації: забезпеченість ресурсами, оснащеність обладнанням, зокрема пристроями й ін., включаючи кваліфікацію працівників стосовно виробу, що проектується. Змінні стани характеризуються вектором HП(t).

На цьому етапі розробляється модель, що відображає основні взаємозв’язки управлінських технологій, інструментальних засобів та інших понять у рамках єдиної системи управління проектом виробу. При цьому управління проектом передбачає такі процеси: планування, виконання, моніторингу, аналізу і поліпшення.

Така архітектура реалізує інтеграцію функціональної підсистеми проектування в загальну систему сумісної взаємодії процесів проектування, виготовлення та експлуатації.

Конструкторська підготовка виробництва поєднує проектування нової продукції і модернізацію тієї, що виготовлялася раніше. Метою цього етапу є розроблення моделі спроектованого виробу. У процесі проектування визначаються склад ФПСВ, її конструкція, техніко–економічні й інші характеристики .

Процеси проектування і розроблення розглядаються у двох аспектах:

– вибір перспективних напрямів, формування необхідних параметрів виробу;

– вибір оптимального способу розгортання в часі процесів створення перспективних об’єктів, тобто управління процесами наукових досліджень і дослідно–конструкторських розробок.

У першому випадку необхідно забезпечити високий рівень функціональних характеристик спроектованого перспективного об’єкта, у другому – ефективне використання ресурсів в умовах обмеження їх у часі. Лише при комплексному вирішенні проблем у часі досягається ефективне управління.

Рис. 2.17. Деревоподібний граф структури виробу

Ієрархічна структура виробу W у вигляді нерегулярного дерева наведена на рис. 2.17  , де , ,  – окремі вузли, їх елементи, варіанти елементів. При цьому ієрархічна структура може розглядатися як для виробу в цілому, так і для кожного окремого елемента. Кожним об’єктом конфігурації є виріб або його частина, що виконує в цьому виробі яку–небудь функцію.

Розроблення виробу є процесом, що складається з ряду послідовно виконуваних операцій (етапів), у ході яких створюється кінцевий продукт – науково–технічна документація (НТД): технічна пропозиція, ескізний проект, технічний проект, робоча конструкторська документація дослідного зразка (дослідної партії). Початковою інформацією для процесу проектування і розроблення виробу є технічне завдання (ТЗ) – документ, що встановлює основне призначення, техніко–економічні та спеціальні вимоги до виробу (ТрВ), обсягу і стадій розроблення та складу конструкторської

документації (рис. 2.18).

Конкретний зміст ТЗ, порядок його розроблення і затвердження визначають замовник і виконавець. Формування вимог у ТЗ здійснюють на основі результатів виконання попередніх досліджень і експериментальних робіт, аналізу патентної, науково–технічної документації, інформаційних матеріалів про новітні досягнення вітчизняної та зарубіжної науки і техніки, наукового прогнозування і перспектив подальшого розвитку ринку, а також досвіду попереднього розроблення й експлуатації аналогічної продукції.

Структурна декомпозиція, синтез і багатокритеріальний вибір альтернативних варіантів ФПСВ (таблиця 2.2) можливі на основі узагальненої структурної моделі, яку можна подати у вигляді

,                                (2.31)

де H0 – множина структурно–параметричних характеристик взаємодії ФПСВ із зовнішнім середовищем; ФВ – множина функцій ФПСВ; StrВ – структура ФПСВ;  – множина характеристик ФПСВ;

ІВ – передісторія ФПСВ.

Рис. 2.18. Структурна схема робіт при розробленні технічного проекту

Таблиця 2.2Формування характеристик ФПСВ

 

Етапи формування характеристик

1

Визначення характеристик виробу, які обумовлюють задоволення певних потреб ринку відповідно до їх призначення

(формування цільових функцій виробу, опис структури характеристик, систематизація, оцінка і відбір рішень на основі експертизи)

2

Визначення важливості та цінності кожної одиничної характеристики

(ідентифікація мети формування ФПСВ, формування класу задач, у межах яких будуть синтезовані варіанти ФПСВ)

3

Порівняння показників характеристик продукції, що випускається підприємством, конкурентами і потребами ринку

4

Визначення перспективного рівня характеристик виробу

(формування варіантів ФПСВ)

5

Встановлення умов, факторів і причин, що впливають на відповідні характеристики і визначають їх рівень

(оцінка і відбір та оптимізація рішень на основі лабораторних і експлуатаційних випробувань)

6

Розроблення стратегічного плану підприємства для досягнення перспективного рівня характеристик якості виробу

(розроблення технології виготовлення і контролю)

7

Забезпечення перспективного рівня характеристик якості виробу з мінімальними витратами

(узгодження варіантів ФПСВ за критеріями проектних завдань і вибір найбільш раціонального)

Взаємодія процесів проектування і розроблення продукції виробничо–технічного призначення наведена на рис. 2.19, де  – характеристики функціональної підсистеми проектування (характеристики відповідно , , );  – характеристики функціональної підсистеми виготовлення виробу;  – інформація про характеристики функціональної підсистеми виробу; , , , ,  – множина характеристик , , які сформульовані в ТЗ і реалізовані на етапах НДКР, КПВ, ТПВ, МТЗ; , , ,  – множина вимог до виробу, які повинні бути реалізовані відповідно на етапах НДР та/або ДКР, КПВ, ТПВ, МТЗ; , ,  – результати НДР та/або ДКР, які використовуються відповідно на етапах КПВ, ТПВ, МТЗ; ,  – множина даних КПВ, що необхідні для ТПВ, виготовлення, контролю, приймання, постачання, експлуатації виробу, включаючи ремонт;  – множина даних, які визначають технологічні дії при виготовленні виробу.

Рис. 2.19. Структурна схема взаємодії процесів проектування і розроблення продукції виробничо–технічного призначення

Проектуванням складної технічної системи є ітеративний процес прийняття рішень із визначення сукупності функціональних підсистем ФПСj, здатних виконати всі необхідні функції із подальшим визначенням сукупності засобів (ФПКТЗj, ФППЗj, ФПОПj), з яких складаються названі підсистеми.

Функцію перетворення можна математично подати такими виразами:

                                       (2.32)

де jНДКР – відображення (перетворення) вимог до виробу ТрВ у результаті НДР та/або ДКР і ДТР РНДКР;

jКПВ – відображення (перетворення) на етапі КПВ результатів РНДКР у характеристики виробу ХB;

jТПВ – відображення (перетворення) на етапі ТПВ характеристик виробу ХB у характеристики ;

jМТЗ – відображення (перетворення) на етапі МТЗ характеристик  у характеристики використовуваних ресурсів ХР.

Вхідними даними для процесів проектування і розроблення

продукції ТрB є:

,

,  (2.33)

де  – потреби і очікування замовників або ринку;

 – потреби і очікування інших зацікавлених сторін;

 – сприяння з боку постачальників;

 – входи від користувачів для забезпечення якісного проектування і розроблення;

 – відповідні зміни законодавчих і регламентуючих вимог;

 – міжнародні та національні стандарти;

 – промислові кодекси сталої практики;

 – внутрішні входи, такі, як:

 – політика та цілі;

 – потреби і очікування працівників організації, включаючи тих, які отримують виходи цього процесу;

 – технологічні розробки;

 – вимоги до компетентності працівників, які проектують і розробляють;

 – інформація зворотного зв’язку, отримана з попереднього досвіду;

 – протоколи і дані щодо наявних процесів і продукції;

 – виходи інших процесів.

Вихідні дані процесу проектування і розроблення містять таку інформацію:

,                   (2.34)

де  – інформація, що містить вимоги до виробу (технічні умови на продукцію, у тому числі критерії приймання);

 – інформація, що містить вимоги до функціональної підсистеми виготовлення виробу;

 – інформація, що містить вимоги до матеріалів і комплектуючих для виготовлення виробів;

 – інформація, що містить вимоги до умов виготовлення;

 – технічні умови на випробування;

 – інформація, що містить вимоги до умов експлуатації виробу;

 – інформація для користувачів і замовників.

Вихідні дані проектування і розроблення порівнюють із вхідними для отримання об’єктивного доказу ефективного й результативного задоволення вимог до процесів і продукції.

Сучасні процеси проектування і розроблення продукції здійснюються функціональними підсистемами проектування ФПСпр, які представляють програмно–методичні комплекси (ПМК) систем автоматизованого проектування (САПР). Автоматизації також підлягають задачі оперативного планування і обліку матеріальних ресурсів, таких, як: розрахунок потреби у сировині, матеріалах, напівфабрикатах, комплектуючих виробах за відповідними замовленнями; укладання договорів на постачання необхідної продукції; формування, контроль і аналіз графіка постачання.

Згідно з   ПМК САПР – взаємозв’язана сукупність компонентів програмного, інформаційного та методичного забезпечення системи автоматизованого проектування (включаючи за необхідності компоненти математичного і лінгвістичного забезпечення), необхідна для отримання закінченого проектного рішення щодо об’єкта проектування або виконання уніфікованої процедури.

Функціональна підсистема проектування ФПСпрi містить такі елементи:

– CAE – Computer Aided Engineering (автоматизовані розрахунки і аналіз);

– CAD – Computer Aided Design (автоматизоване проектування);

– CAM – Computer Aided Manufacturing (автоматизована технологічна підготовка);

– PDM – Product Data Management (управління проектними даними);

– SCM – Supply Chain Management (управління ланцюжками постачань);

– CRM – Customer Relationship Management (управління відносинами із замовниками).

Наведені елементи є інтегрованими автоматизованими системами, тобто функціонування однієї з них залежить від результатів функціонування іншої (інших) так, що цю сукупність можна розглядати як єдину ФПСпр.

Ефективність виконання функції проектування визначається характеристиками , які, у свою чергу, багато в чому залежать від характеристик груп технічних, програмних засобів і оперативного персоналу, що беруть участь у виконанні даної функції (рис. 2.20).

КТС є сукупністю взаємозв’язаних єдиним керуванням технічних засобів збору, накопичення, обробки, передачі, виведення і представлення інформації при вирішенні завдань проектування. Засоби програмної обробки даних представлені процесорами і запам’ятовувальними пристроями тобто персональними комп’ютерами (ПК), в яких реалізуються перетворення даних і програмне керування обчисленнями. Засоби підготовки, введення, відображення і документування даних використовуються для спілкування користувача з ПК. Засоби архіву проектних рішень представлені зовнішніми запам’ятовувальними пристроями – серверами. Засоби передачі даних (мережа) використовуються для організації зв’язків між територіально рознесеними ПК.

Рис. 2.20. Загальна схема процесу проектування і розроблення виробу засобами САПР

До сьогодні склалися дві основні форми організації технічного забезпечення (форми використання технічних засобів): централізована і частково або повністю децентралізована. Централізоване технічне забезпечення базується на використанні в інформаційній системі серверів баз даних і застосувань. Децентралізація технічних засобів передбачає реалізацію функціональних підсистем на ПК безпосередньо на автоматизованих робочих місцях (АРМ). Перспективним вважають частково децентралізований підхід – організацію технічного забезпечення на базі розподілених мереж, що складаються з ПК і серверів для зберігання баз даних, спільних  для   будь–яких  функціональних  підсистем  (рис. 2.21). Згідно з   програмне забезпечення – сукупність програм системи обробки інформації та програмних документів, необхідних для їх експлуатації. Комплекс програм забезпечує обробку або передачу даних і призначений для багаторазового використання і застосування різними користувачами. За видами виконуваних функцій програмне забезпечення поділяють на загальне і спеціальне.

Рис. 2.21. Організаційна схема функціональної підсистеми проектування ФПСпр: АРМ НДР та/або ДКР, ДТР, КПВ, ТПВ, МТЗ – автоматизоване робоче місце для проведення відповідних робіт НДР та/або ДКР, ДТР

Загальне ПЗ є сукупністю програмних засобів, призначених для організації обчислювального процесу і розв’язування задач, що часто застосовуються, обробки інформації, що розроблені поза зв’язком із даною автоматизованою системою. Воно використовується для розширення функціональних можливостей ПК, контролю і керування процесом обробки даних. Спеціальним програмним забезпеченням є сукупність програм, розроблених при створенні даної САПР. Оперативний персонал САПР охоплює користувачів технічних засобів і програмного забезпечення: конструкторів, технологів, експлуатаційний персонал, які реалізують обслуговування КТЗ і ПЗ. При цьому формується єдиний інформаційний простір, в якому створюється і підтримується електронна модель виробу впродовж усього його ЖЦ. Процес створення виробу охоплює паралельне проектування конструкції і технології, що дозволяє поєднати роботи на етапах КПВ, ТПВ і МТЗ. При автоматизованому проектуванні використовується програмно–алгоритмічне забезпечення. Бази даних ФПСВ і ФПСВР використовуються як розробниками основного виробу, так і розробниками постачальників компонентів. Бази даних розробок існують у формі компонентів у постачальників та/або у формі концепцій, реалізованих раніше на самому підприємстві. Інтегровані результати КПВ, ТПВ і МТЗ – проект виробу реалізується на етапі виготовлення.

Основними факторами розроблення нових виробів і модернізації тих, що вже функціонують, є вимоги  і можливості  замовника, спрямовані до функціональних підсистем проектування, та вимоги  і можливості , спрямовані до функціональних підсистем виготовлення. Ці вимоги і можливості мають певні параметри, характерні для даного моменту часу, надалі безперервно змінюючись і трансформуючись. Функціональна підсистема проектування створює запити  і можливості , спрямовані на розвиток функціональних підсистем експлуатації, а також вимоги  і можливості , спрямовані на розвиток функціональних підсистем виготовлення. Функціональна підсистема виготовлення створює вимоги  і можливості , спрямовані на розвиток функціональної підсистеми проектування, а також запити  і можливості , спрямовані на розвиток функціональної підсистеми експлуатації.



загрузка...