автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированное проектирование и управление комплексными испытаниями при реализации инновационных проектов

(

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

, / >\ И У ~ ^ На правах рукописи

э степень Д1

______________~В и кт о р Николаевич

управления БА ^- -

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ КОМПЛЕКСНЫМИ ИСПЫТАНИЯМИ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ИННОВАЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ

Специальности 05.13.06 «Автоматизированные системы управления» 05.13.12 «Системы автоматизации проектирования»

Диссертация на соискание учёной степени

Содержание

Введение.................................................. 7

Глава 1. Постановка задачи автоматизированного проектирования и управления систем комплексных испытаний и контроля

1.1. Структуризация инновационного процесса, основные

этапы и проблемы........................................... 29

1.2. Состав иннновационно-инвестиционной структуры универсального назначения...................................... 35

1.3. Инновационная структура как социо-техническая система....... 39

1.4. Особенности этапа комплексных испытаний и контроля сложных инновационных объектов..............................41

1.5. Постановка задачи диссертационной работы...................50

Глава 2. Автоматизированное проектирование систем комплексных испытаний

2.1. Комплексные испытания как этап инновационного процесса .... 57

2.1.1. Комплексные испытания и контроль сложных инновационных объектов..............................57

2.1.2. Структура систем испытаний ..........................58

2.2. Математическое описание систем комплексных

испытаний и контроля.........................................65

2.2.1. Математические методы описания технических систем .... 65

2.2.2. Основные положения теории нечётких множеств Заде.....74

2.2.3. Логика антонимов как альтернатива логике Заде......... 93

2.3. Моделирование систем комплексных испытаний и контроля ... 106

2.3.1. Методика использования логики антонимов

для моделирования различных объектов.................... 106

2.3.2. Задача выбора оптимальной программы испытаний инновационного объекта...................................114

2.3.3. Задача выбора контролируемых в процессе

испытаний параметров....................................121

2.3.4. Задача определения степени работоспособности объекта ... 125

2.3.5. Задача комплексной оценки результатов выполнения инновационного проекта...................................127

Выводы ..................................................... 131

Глава 3. Автоматизированное управление определением технического состояния объектов при малом объёме априорной информации об объекте

3.1. Применение агрегированных моделей для определения

технического состояния объекта................................132

3.2. Обучение как основа адаптации систем контроля.............145

3.3. Выбор методов распознавания технического состояния объектов испытаний...................................................156

3.3.1. Модель процесса распознавания технических состояний объекта................................................156

3.3.2. Построение математических моделей технических объектов

на основе обучения...................................... 165

3.3.3. Оптимизация выбора контролируемых признаков объекта .181

3.4. Методика построения адаптивной системы определения технического состояния объекта................................194

3.4.1. Синтез программ определения технического состояния технических объектов....................................194

3.4.2. Оптимизация программ определения технического состояния по критериям эффективности.....................197

3.4.3. Адаптация системы испытаний и контроля как средство повышения её эффективности.............................205

3.5. Построение адаптивной системы определения технического состояния режущего инструмента как инновационного объекта со значительной степенью априорной неопределённости.............218

3.5.1. Анализ современных методов и систем диагностирования режущего инструмента...................................218

3.5.2. Выбор диагностических признаков для системы определения технического состояния инструмента........................228

3.5.3. Разработка адаптивных методов распознавания состояний инструмента............................................234

3.5.4. Построение алгоритмического обеспечения адаптивной системы испытаний инструмента...........................244

3.5.5. Оптимизация программы определения технического состояния инструмента по достоверности и быстродействию .... 248

Выводы.....................................................254

Глава 4. Автоматизированное управление определением технического состояния объектов с замкнутыми приводами перемещений рабочих

органов

4.1. Способы математического представления информации

о законах движения машин.....................................256

4.1.1. Представление информации о законах движения машин ... 258

4.1.2. Структура и основные показатели унифицированных систем для реализации однопараметрического метода представления информации о законах движения машин........265

4.2. Однопараметрический метод представления информации

о техническом состоянии автоматизированного оборудования.......272

4.2.1. Фактические траектории движения рабочих органов -

основной диагностический показатель рассматриваемых

объектов испытаний......................................272

4.2.2. Преобразование информации о фактических траекториях движения рабочих органов к базовым системам однопара-метрических уравнений..................................279

4.2.3. Основные формы представления диагностической информации с помощью систем однопараметрических уравнений.............................................289

4.2.4. Исследование систем однопараметрических уравнений, отвечающих различным условиям технического

состояния испытываемого объекта........................294

4.3. Зависимости между параметрами объекта и коэффициентами систем однопараметрических уравнений........................304

4.3.1. Математическая модель металлорежущего станка как объект исследования при решении задач определения технического состояния.................................304

4.3.2. Исследование математической модели электропривода станка с ЧПУ......................................... 312

4.3.3. Методика оценки погрешностей испытываемых объектов по коэффициентам систем однопараметрических уравнений, отвечающих фактическим траекториям движения рабочих органов.......................................319

Выводы................................................... 331

Глава 5. Экспериментальные исследования предложенных методов автоматизированного проектирования и автоматизированного управления комплексными испытаниями 5.1. Экспериментальная проверка методики автоматизированного

проектирования системы комплексных испытаний.................333

5.1.1. Описание инновационных объектов.................. 333

5.1.2. Результаты автоматизированного проектирования

систем испытаний.................................... 344

5.1.3. Проверка задачи комплексной оценки результатов выполнения проекта.................................. 356

5.2. Экспериментальные исследования системы автоматизированного управления комплексными испытаниями с использованием агрегированных моделей........................362

5.2.1. Описание экспериментальной установки...............362

5.2.2. Реализация алгоритма построения математической

модели объекта испытаний...............................370

5.2.3. Экспериментальные исследования алгоритмов адаптации системы определения технического состояния объекта .. 375

5.3. Практическая реализация однопараметрического метода

определения технического состояния инновационных объектов..... 380

Заключение............................................... 390

Список литературы........................................ 393

Приложения.............................................. 409

ВВЕДЕНИЕ

Объектом диссертационного исследования являются системы и средства выполнении инновационных проектов, т.е. проектов, реализующих накопленные научно-технические достижения. Из многообразия задач, с которыми сталкиваются учёные-организаторы полного инновационного цикла (от маркетинга рынка до сдачи объекта "под ключ"), выделен объект исследования - системы автоматизированного проектирования и управления процессами комплексных испытаний и контроля.

Актуальность решения поставленных проблем определяется скачкообразным переходом российской экономики к рыночным отношениям, структурной перестройкой экономики, необходимостью быстрого выхода промышленности из тяжёлого положения за счёт активизации инновационной активности.

Сложившаяся сложная ситуация в экономике Российской Федерации заставляет искать нетрадиционные пути выхода из нее, основанные на новых подходах и платформе. К настоящему моменту практически сложилась концепция выхода из кризисной ситуации путём формирования и развития конкурентоспособной отечественной инновационной структуры /27/.

Предлагается в сложившихся условиях ограниченных финансовых ресурсов подойти к указанной проблеме путём определения задач наивысшего приоритета и сконцентрировать усилия на их решении. После этого предполагается решать остальные задачи за счет саморазвития уже решённых. В качестве задачи наивысшего приоритета целесообразно принять проблему создания инфраструктуры научно-технических нововведений. Если предположить, что такая инфраструктура будет создана, то она сможет эффективно быть задействована для реализации любых наукоёмких проектов, которые будут представлять интерес для экономики страны. При этом

создаваемая инфраструктура должна опираться на имеющийся научно-технический потенциал (научные заделы, людские ресурсы) практически всего мира, обеспечивая выполнение заказов не только отечественной, но и зарубежной промышленности со сдачей результатов проекта "под ключ", используя при этом передовые средства и методы управления проектами.

Такой подход необычен для российской промышленности. До сих пор имеющиеся (в настоящее время весьма скудные) ресурсы в основном вкладываются в выполнение кажущихся актуальными, первоочередных проектов, а во многом - и в фундаментальные научные исследования. Опыт некоторых передовых стран мира (например, послевоенной Японии) показывает, что в кризисных ситуациях (а именно такая ситуация характерна для сегодняшней России) эффективна концентрация усилий на нововведениях (инновациях), когда приоритет отдается созданию механизма профессионального доведения уже имеющихся накопленных знаний, технологий до товарной продукции, т.е. до удовлетворения потребностей заказчика. Именно это позволяет получать наиболее быстрые экономические результаты, которые приводят к скорейшему повышению экономического, социального и экологического благосостояния населения страны.

Вместе с тем для нашей страны по-прежнему характерен перекос в сторону приоритета научно-технических достижений, когда основные средства направляются практически только на поиск новых идей и технологий, а не на поиск путей быстрой и эффективной реализации уже имеющихся (в том числе и на конверсируемых предприятиях бывшего военно-промышленного комплекса) /26/. И если в ближайшее время не создать механизма (инфраструктуры) реализации достижений, то огромный задел отечественных достижений, мировых технологий так и останется не востребованным для развития экономики России. Существующим положением пользуются инжиниринговые компании Запада и Востока,

перехватывая наиболее прибыльные и заманчивые проекты. Разумеется, выполнение каждого из таких проектов обходится российском заказчику существенно дороже, чем если бы они выполнялись силами отечественных специалистов. При этом не решаются социальные проблемы страны, так как захват проектов зарубежными фирмами означает создание дополнительных рабочих мест на Западе, а не в России.

Таким образом, путь к экономическому, экологическому и социальному благосостоянию страны лежит через научно-технический прогресс на базе опережающего формирования и развития конкурентоспособной инновационной инфраструктуры как средства быстрого и эффективного способа реачизации любых проектов в интересах отечественной (и зарубежной) экономики.

Отставание теории и практики развития инновационной сферы в России от сложившейся в течении многих десятилетий в мире системы отношений заставляет уделить вопросам создания инновационной инфраструктуры особое внимание.

Созданию такой ' инфраструктуры посвящена Федеральная инновационная программа "Российская инжиниринговая сеть технических нововведений" (сокращенно - "Инжинирингсеть России"), заказчиком которой является Министерство экономики Российской Федерации, а Генеральной дирекцией - Ассоциация центров инжиниринга и автоматизации.

В программе "Инжинирингсеть России" сформулированы следующие основные требования к инновационной инфраструктуре России:

1. Распределенность (децентрализация) по всем регионам России, позволяющая на месте решать задачи функционально полного инновационного цикла от маркетинга и технико-экономического обоснования до сдачи созданного объекта "под ключ" с кадровым обеспечением и сервисным обслуживанием.

2. УниверсальностьЛ позволяющая обеспечить решение проблемы сдачи "под ключ" системы из любой области производственного или обслуживающего сектора экономики России.

3. Профессионализм инновационной инфраструктуры, базирующийся на двух её основных свойствах:

• добросовестном и качественном обслуживании заказчика, являющегося для инновационной инфраструктуры центральной фигурой;

• объективном отношении к "чужим" знаниям, технологиям, оборудованию.

Эти два свойства дополняют друг друга, обеспечивая наилучшее удовлетворение потребностей заказчика за счет оптимального выбора и системной интеграции уже проверенных решений (технологий, оборудования).

4. Социо-техническая философия, утверждающаяся как наиболее перспективная для построения инновационной инфраструктуры и для ее работы при реализации инновационных проектов "под ключ". Такой подход в последние годы находит все более широкое распространение как наилучший для создания производственных и обслуживающих систем будущего. При реализации социо-технического подхода основой является исходная ориентация на наличие в центре создаваемой системы творческого коллектива (инжиниринговой команды). Такая ставка на человеческую составляющую системы определяет следующие её достоинства:

• повышение уровня творческого участия людей в производственном процессе;

• высокий уровень адаптации системы к изменяющимся требованиям рынка;

• ответственность конкретных людей за весь инновационный цикл и конечный результат;

• возможность и естественность применения сдельной оплаты труда;

• возможность постепенного повышения производственной мощности с учетом обратной связи от реализуемого товара (без больших стартовых капитальных затрат);

• постепенностью в совершенствовании и развитии системы посредством решений, принимаемых ее социо-частью.

Создание такой инфраструктуры позволит эффективно решить проблему взаимодействия между рынком, заказчиком и инжинирингом.

В задачи Федеральной программы "Инжинирингсеть России" входят

/25/:

• создание Федеральной инжинирингсети России как совокупности инжиниринговых центров, призванных работать в целях реализации научно-технических достижений в интересах отечественной и зарубежной экономики;

• формирование организационной и научно-технической базы инжинирингсети России с целью создания "инструмента" инжиниринга (здесь и далее под "инжинирингом" понимается отрасль научно-технических нововведений), с помощью которого инжиниринговые центры могут реализовать проекты;

• создание региональных инжиниринговых сетей;

• создание отраслевых инжиниринговых сетей (по федеральным приоритетам).

Не касаясь проблем первого, третьего и четвертого направлений, остановимся на проблемах, характерных для организационной и научно-технической базы инжиниринга (второе направление).

Это направление является базовым, обеспечивающим создание технологии и инструментальных средств отечественного импортозамещающего инжиниринга, формирующим методическую и законодательную основу для научно-технических нововведений.

Одной из основных теоретических задач, решаемых в рамках данного направления, является задача разработки методов и средств управления процессом ведения сложных наукоемких проектов "под ключ ".

Укрупненная структура комплекса управления проектами представлена на рис. В. 1.

4

ЗАКАЗ НА НОВУЮ СИСТЕМУ, ВКЛЮЧАЯ КОМПЛЕКСНОЕ РАЗВИТИЕ . ТЕРРИТОРИЙ

Комплекс ддя

обеспечения в САПР для СОЗД1НИЯ новой системы «под ключ»

Мжрвспснг

■¿Ег

ПрвОВфОМЯК

Комплекс дпх реалкз&цви

(ГОГОТОВЛСНЕЯ) новой системы «под ЕГО» н оодоховхк персонала

КйММПШ вмпщ шцошх юдемй

Иагапиеж

уямя

Подготовка р^спима

Еошики для иуСКО 1П1ДЕДОЧНЫЛ

работ, испытаний и

системы «лсд ключ»

4

Сборка и

Исгасшшж

Сдача «вод ключ»

ЛОКАЛЬНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СЕТЬ (ЛВС)

4

Р

НОВАЯ СИСТЕМА. •ПОД КЛЮЧ,, В ТОМ ЧИСЛЕ КОМПЛЕКСНОЕ

РАЗВИТИЕ ТЕРРИТОРИЙ

Рис. В.1.

Укрупнённая структура компьютеризированного комплекса управления сложными

инновационными проектами

В распределенном комплексе, интегрированном через локальную вычислительную сеть, имеется постоянно обновляемый (через социо-техническую систему) банк данных по те�