автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Методы и средства обучения автоматизированному проектированию в машиностроении
- доктора технических наук
- Черепашков, Андрей Александрович
- город
- Самара
- год
- 2014
- специальность ВАК РФ
- 05.13.12
Автореферат диссертации по теме "Методы и средства обучения автоматизированному проектированию в машиностроении"
На правах
Черспашков Андрей Александрович
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ В МАШИНОСТРОЕНИИ
05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (в машиностроении)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Самара-2014
005549917
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмкческий университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре конструкции и проектирования летательных аппаратов и в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» (СамГТУ) на кафедре технологии машиностроения.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Комаров Валерий Андреевич.
Официальные оппоненты:
Кульга Константин Станиславович, доктор технических наук, профессор кафедры мехатронных станочных систем ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»;
Пиявский Семен Авраамович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой прикладной математики и вычислительной техники ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»;
Сердюк Анатолий Иванович, доктор технических наук, профессор, директор аэрокосмического института, профессор кафедры систем автоматизации производства ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».
Ведущая организация:
федеральное государственное унитарное предприятие Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Про1ресс».
Защита состоится 12 сентября 2014 г. в 10-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.215.05, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», на сайте www.ssau.ru.
Автореферат разослан 30 мая 2014 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук
С.В. Восгокин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. При решении задач модернизации и инновационного развития экономики Российской Федерации прикладным компьютерным технологиям отводится одна из ведущих ролей. Решение проблемы повышения конкурентоспособности промышленных предприятий напрямую связывается с использованием систем автоматизированного проектирования, интегрированных в единое проекгно-производственное пространство. Современная наука и практика создания и эксплуатации САПР развиваются по отраслям, при этом в ряду самых сложных и массовых выступают комплексные системы информационной поддержки жизненного цикла изделий машиностроения. Однако развитие и повышение эффективности комплексных систем автоматизированного проектирования и производства (РЬМ-систем, часто называемых «решениями» - РЬМ-зоМопэ) сдерживается прежде всего отсутствием квалифицированных специалистов, обладающих необходимыми профессиональными компетенциями для деятельности в интегрированной информационной среде (ИИС). По своему определению автоматизированное проектирование является сложным информационным процессом взаимодействия проектировщиков (персонала САПР) и комплекса средств автоматизации проектных работ. Причем за человеком остаются самые ответственные, интеллектуальные функции, такие как анализ результатов расчетов и принятие проектных решений, которые не могут быть выполнены с помощью формализованных методов и требуют наличия у проектировщиков развитых умений и навыков автоматизированного проектирования. Зачастую уровень квалификации проектного персонала выступает основным фактором, определяющим результативность автоматизированной системы в целом.
С расширением области приложения, углублением специализации и увеличением сложности современных САПР объектов машиностроения (САПР-М) все более важным для успешной автоматизации подготовки производства становится создание эффективных средств и методов обучения автоматизированному проектировашпо персонала комплексных систем. Это проявляется в значительном увеличении объема и разнообразия методического обеспечения, поставляемого на рынок ведущими разработчиками и интеграторами САПР. Обучение и переподготовка персонала стали обязательным и одним из самых критичных по длительности и результативности этапов в проектах внедрения РЬМ-решений. Таким образом, современные тенденции развития и неуклонно расширяющаяся практика внедрения и эксплуатации САПР-М выдвигают проблему обучения автоматизированному проектированию объектов машиностроения в число актуальных научных задач, имеющих как теоретическое значение, так и практическую ценность.
Цель работы заключается в повышении эффективности функционирования машиностроительных САПР и сокращении сроков реализации проектов внедрения РЬМ-решений за счет обучения проектного персонала навыкам автоматизированного проектирования в интегрированной информационной среде.
Объектами исследования являются процессы проектной деятельности персонала в среде интегрированных САПР и виртуальных предприятий машиностроения, средства методического обеспечения (МтО), обучающие функции базовых технологий САПР-М (САБ/САМ/САЕ/.../ - «САх»-технологии)-
Предметами разработки н исследования являются методы учебного автоматизированного проектирования (УАПР), принципы создания и эксплуатации компьютерных тренажеров и учебных виртуальных предприятий, предназначенных для обучения автоматизированному проектированию проектного персонала машиностроительных САПР.
Задачи диссертационной работы:
1. Произвести анализ проектно-производственной среды и проектной деятельности персонала САПР в комплексных автоматизированных системах, построенных на базе решений ведущих производителей и интеграторов машиностроительных САПР, с целью определения содержания области обучения автоматизированному проектированию.
2. Систематизировать средства методического обеспечения САПР-М, проанализировать полноту и эффективность известных методов и средств обучения автоматизированному проектированию изделий машиностроения; выделить и развить обучающие функции средств и методов, используемых в промышленных САПР-М.
3. Обобщить опыт создания тренажеров, предназначенных для развития умений и навыков проектного персонала САПР на локальных этапах и процедурах проектных работ (АПР-тренажеров), и разработать метод учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа.
4. Разработать метод учебного автоматизированного проектирования объектов машиностроения в среде учебного виртуального предприятия, обеспечивающий ускоренную подготовку и адаптацию проектного персонала САПР, интегрированных в единое информационное пространство автоматизированных производств.
5. Разработать архитектуру специализированного решения автоматизированной про-ектно-производствешгой среды в форме виртуального предприятия, предназначенного для обучения автоматизированному проектированию персонала интегрированных машиностроительных САПР; реализовать экспериментальное учебное виртуальное предприятие на базе центра компьютерного проектирования технического вуза и исследовать эффективность разработанных методов и средств.
Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы автоматизированного проектирования, геометрического и функционального компьютерного моделирования объектов машиностроешш, в том числе метод конечных элементов, методы оптимизации, принципы компетентностного подхода к профессиональному обучению, теория множеств, методы системного и морфологического анализа. Научной новизной обладают:
- результаты теоретического исследования типологии проектно-производственной среды и средств обеспечения, применяемых в комплексных решениях ведущих производителей и интеграторов САПР-М, позволяющие определить содержание области обучения автоматизированному проектированию, обосновать необходимость создания и использования в комплексных решениях средств методического обеспечения САПР учебного назначения, предназначенных для развития навыков проектного персопала;
- принципы и приемы использования и развития обучающих функций машиностроительных САПР, показанные на примере реализации технологий инженерного анализа, оптимизации и визуализации в учебно-исследовательской САПР силовых конструкций;
- классификация методического обеспечения учебного назначения, учебно-исследовательских (УИ) САПР с выделением места и роли АПР-тренажеров, предназначенных для формирования у пользователей навыков автоматизированного проектирования с использованием локальных технологий и средств САПР;
- впервые введенное понятие и общее определение учебно-исследовательского (научного) виртуального предприятия (УНВП) как специализированного РЬМ-решения, предназначенного для обучения персонала САПР умениям проектной деятельности в интегрированной информационной среде;
- принципы создания и применения профессиональных компьютерных тренажеров и учебных виртуальных предприятий, предназначенных для обучения персонала САПР умениям и навыкам автоматизированного проектирования;
- методологические схемы (методы) учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа в среде учебно-исследовательских САПР и виртуальных предприятий, отличающиеся от промышленных методов дидактически обоснованной последовательностью операций, использованием приемов активизации познавательной деятельности и развития обучающих функций САПР, обеспечивающих в своем комплексе повышение уровня и ускоренное развитие профессиональных компетенций персонала;
- методика исследования эффективности учебного автоматизированного проектирования в среде АПР-тренажеров и УНВП, основанная на использовании критериев оптимальности и закономерностей процесса накопления знаний об объекте проектирования.
Практическая ценность разработанных методов учебного автоматизированного проектирования и средств методического обеспечения САПР заключается в повышении уровня и сокращении времени обучения пользователей машиностроительных САПР, в сокращении сроков реализации проектов внедрения комплексных систем за счет ускорения процессов переподготовки и адаптации проектного персонала САПР-М к условиям профессиональной деятельности в интегрированной информационной среде.
Результаты работы внедрены в компаниях «АСКОН» (г. Санкт-Петербург), «Айти-Консалт» и ОАО «Авиаагрегат» (г. Самара), Центре компьютерного проектирования СамГТУ. Разработки используются: в СГАУ при обучении студентов по специальностям «Автоматизированное управление жизненным циклом продукции» и «Самолето- и верто-летостроение»; в СамГТУ по направлениям подготовки «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» и «Машиностроение», при переподготовке преподавателей и работников предприятий на факультете повышения квалификации; в Пекинском технологическом университете и университете PURDUE (США).
На защиту выносятся:
- определение и классификация уровней подготовки проектного персонала САПР (разделы 2.2, 2.3), результаты систематизации и классификация средств методического обеспечения учебного назначения (МтО УН) машиностроительных САПР (таблицы 1,2);
- компетентностная модель проектного персонала и модель содержания области обучения автоматизированному проектированию персонала САПР-М (раздел 2.4);
- методики учебного автоматизированного проектирования силовых конструкций, обладающие развитыми дидактическими качествами сборники проектных задач, интерактивные методы оптимизации и визуализации параметров в учебно-исследовательской САПР силовых конструкций (раздел 3);
- комплекс АПР-тренажеров и обобщенный метод учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа для формирования умений и навыков автоматизированного проектирования у пользователей машиностроительных САПР на локальных этапах и процедурах проектных работ (разделы 4.2, 4.3);
- принципы создания и применения виртуальных предприятий для обучения персонала машиностроительных САПР автоматизированному проектированию в интегрированной информационной среде (раздел 5.1);
- архитектура виртуальной проектно-производственной среды учебного назначения и метод учебного автоматизированного проектирования в среде учебного виртуального предприятия (разделы 5.2, 5.3);
- результаты внедрения, практической апробации и исследования разработанных методов и средств обучения автоматизированному проектированию (глава 6).
Диссертационные исследования были поддержапы следующими научными программами и договорами.
1997 г. «Перспективные информационные технологии в высшей школе». Тема: Разработка и исследование средств компьютерной поддержки обучения автоматизированному проектированию силовых аэрокосмических конструкций (№ ГТ: 01960004205).
1998 - 2000 гг. «Повышение ресурса, надежности и экономичности ЛА и их двигателей». Тема: Разработка комплекса компьютерных систем для развития творческих способностей инженеров-конструкторов (СГАУ № 04в-Б029-018-202-В8).
2001 — 2002 гг. «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие её научного потенциала». Тема: Региональный учебно-научный центр САЬЗ-техиологий (№ ГР: 01200112943).
2002 - 2004 гг. «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Тема: Разработка и развитие нормативно-методического обеспечения регионального учебно-научного центра САЬЗ-тсхнологий (№ ГР: 01200306275).
2006 — 2007 гг. «Исследования и разработки по приоритетным направлениям государственной поддержки научно-технического развития Самарской области». Тема: Выявление приоритетов научно-технического развития и наиболее актуальных научно-технических проблем конкурентоспособности продукции автомобильного территориально-отраслевого кластера Самарской области (№ ГР: 01200702699).
2008 — 2013 гг. Разработка и опытная эксплуатация экспериментального учебно-научного предприятия на базе центра компьютерного проектирования СамГТУ в соответствии с договорами о сотрудничестве с АСКОН и промышленными предприятиями.
Достоверность полученных результатов обеспечена использованием теоретически обоснованных и практически проверенных технологий автоматизированного проектирования и системной интеграции, подтверждается многолетней практикой применения разработанных методов и средств в учебном процессе вузов, в авторизованных учебных центрах ведущих производителей САПР и результатами проведенных исследований эффективности разработок на статистически значимых выборках.
Апробация работы. Результаты исследований и разработок, приведенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались в пленарном докладе на форуме «Белые ночи САПР» (Санкт-Петербург, 2011), а также
— на международных научных конференциях и симпозиумах:
«Применение ИЛИ (САЬ8)-технологий для повышения качества и конкурентоспособности наукоемкой продукции» (г. Москва, 2003); «Применение программных продуктов КОМПАС в высшем образовании» (г. Тула, 2005); «Актуальные проблемы трибологии» (г. Самара, 2007); «Современные компьютерные технологии фирмы ОЕЬСАМ в науке, образовании и производстве» (г. Самара, 2011, 2013); «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, 2009, 2011); «Развитие творческого потенциала студентов в компетентностной парадигме высшего образования с использованием информационных технологий» (г. Самара, 2011); «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы» (г. Самара, 2012);
— на всероссийских научных и научно-методических конференциях: «Автоматизация поискового конструирования и подготовки инженерных кадров» (г. Иваново, 1983); «Актуальные проблемы совершенствования подготовки специалистов авиационного профиля» (г. Москва, 1984); «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (г. Самара, 2007); «Актуальные проблемы машиностроения» (г. Самара, 2009, 2010, 2011); «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (г. Оренбург, 2013).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 45 работ, в том числе 16 статей в реципируемых научных изданиях [1 - 16], 7 учебных и научно-мегодических монографий [17 - 23].
Структура и объем работы. Диссертация со его irr из введения, шести глав, заключения, списка сокращений и обозначений, списка литературы из 384 наименований. Содержит 342 страницы основного текста, 85 рисунков и 12 таблиц. В 4 приложениях приведены сборники учебных задач, описания тренажеров и экспериментального учебно-научного виртуального предприятия, акты внедрения.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАЩЕЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, формулируются цели и задачи исследования, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, практическая значимость полученных результатов.
В первой главе на основе анализа состояния и тенденций развития науки и практики САПР раскрывается содержание проблемы обучения автоматизированному проектированию (АПР) и ставятся задачи диссертационной работы.
В разделе 1.1 дан анализ развития теории и практики САПР с целью выявления научных основ и предпосылок, предопределивших современную ситуацию в области обучения автоматизированному проектированию. За рубежом становление и развитие САПР как пауки, занимающейся проблемами компьютеризации проектирования и производства, происходило в университетской среде и поэтому неразрывно связано с учебным процессом. Преподавательской деятельностью в той или иной форме занимались практически все признанные основатели Computer-aided design, в том числе профессора MIT, Гарвардского, Сиракузского, Юта университетов США и Кембриджского университета Великобритании: Adams С., Coons S., Gilmore J., Lang С., Ross D., Risenfeld R., Sutherland I., Versprille K., Wilkes M. др. Ими были заложены основы терминологии САПР, а также сделаны далеко идущие теоретические обобщения, в том числе обосновано определяющее значение человеческого фактора в автоматизированном проектировании. Можно утверждать, что осознание практической значимости подготовки пользователей и связанной с этим необходимости разработки учебных методов и средств обеспечения САПР имеет столь же давние корни, как и проекты создания первых интерактивных технических средств и компьютерных программ промышленного назначения (APT, AED, Sketchpad и др.).
Анализ фактографии технических и научных достижений в сфере автоматизированного проектирования позволяет констатировать, что задачи предметной области машиностроения играют ведущую роль в развитии теории и практики САПР. Значительные успехи были достигнуты в автоматизации аэрокосмической и автомобильной промышленности. За рубежом в этой связи выделяются работы Bezier P., de Casteljau P., Hanratty P., Jacks E., MacNeal R., Hamfris H. и др. В области развития основ теории и практики создания и внедрения в отечественную промышленность конструкторских САПР следует отметить практическую деятельность и научные работы Артамонова Е.И., Ахмедзянова А.М., Быкова В.П., Комарова В.А., Краснощекова П.С., Кривошеева И.А., Моисеева H.H., Осина М.И., Падалко С.Н., Самойловича О.С., Смирнова O.JL, Соллогуба A.B., Тунакова А.П., Флерова Ю.А. и др. Использованию методов технического творчества, поискового конструирования и концептуального проектирования в САПР посвящены работы Буша Г.Я., Дворянкина A.M., Камаева В.А., Половинкина А.И. и др. В области создания САПР технологических процессов и гибких автоматизированных производств выделяются работы Аверченкова В.И., Горанского Г.К., Капустина Н.М., Кульги К.С., Митрофанова С.П., Сердюка А.И., Соломенцева Ю.М., Цветкова В.Д. и др.
Опыт внедрения первых автоматизированных систем в промышленности наглядно продемонстрировал необходимость подготовки и переподготовки кадров для САПР. В нашей стране это нашло отражение в концепции создания специализированных учебных САПР, которые используются и разрабатываются практически во всех технических вузах РФ. В числе ученых, оказавших существенное влияние на развитие методологии обучения автоматизированному проектированию, — Анисимов В.И., Бородулин Ю.В., Дмитревич Г.Д., Корячко В.П., Курейчик В.М., Лисейцев U.K., Маничев В.Б., Мартынюк В.А., Норен-ков И.П., Нуждин В.Н., Павлов В.В., Петров A.B., Пиявский С.А., Смирнов О.Л., Соловов A.B., Федорук В.Г., Черненький В.М., Щелыкалов Ю.Я., Яблочников Е.И. и др.
Как показал анализ развития и современного состояния машиностроительных САПР, актуальность проблемы обучения автоматизированному проектированию объективно возрастает вместе с усложнением функционала и расширением области практического применения систем автоматизированного проектирования. В состав автоматизированных систем вовлечены самые широкие слои инженерно-технических работников (конструкторы, технологи и пр.), к которым в настоящее время отошли основные функции управления средствами обеспечения САПР. Для обозначения этой большой группы пользователей автоматизированных систем, непосредственно участвующих в принятии проектных решений в среде САПР-М, в диссертации вводится понятие «проектный персонал».
В разделе 1.2 рассмотрена проблема кадровой обеспеченности проектов внедрения и эксплуатации интегрированных САПР. Современные тенденции развития машиностроительных САПР определяет парадигма комплексной автоматизации проекгно-производственных этапов жизненного цикла изделий, которая объективно приводит к увеличению продолжительности проектов внедрения и значительному расширению профессионального круга сотрудников промышленных предприятий, включаемых в число пользователей PLM-систем. При этом знания, умения и навыки владения технологиями комплексного автоматизированного проектирования и управления электронным документооборотом в интегрированной информациошюй среде выдвигаются в число основных компетенций современных специалистов в области техники и технологий. Для облегчения адаптации проектного персонала и ускорения развития у пользователей САПР умений и навыков практической работы в среде комплексных автоматизированных систем автором предложено создавать и использовать в качестве средств методического обеспечения интегрированных САПР специализированные учебные виртуальные предприятия.
В разделе 1.3 выделены и проанализированы основные подходы к решению проблем обучения автоматизированному проектированию в научных исследованиях, в том числе зарубежных. Отмечено, что значительное число исследовательских и прикладных работ по САПР и смежным наукам полностью или частично связано с задачами разработки и повышения эффективности методического обеспечения, проблемами обучения персонала или использования технологий САПР в образовании. Большинство опубликованных научно-методических работ посвящено развитию методов и средств обучения формализуемым знаниям в предметной области САПР. При этом сделан вывод о недостаточной проработанности методологии обучения автоматизированному проектированию, особенно в области развития трудноформализуемых умений и навыков проектной деятельности персонала САПР-М в интегрированной информационной среде.
Во второй главе обсуждаются результаты обследования машиностроительных предприятий Самарского региона и анализа автоматизированной проектной среды, процессов профессиональной деятельности пользователей машиностроительных САПР, проведенных с целью определения содержания обучения автоматизированному проектированию проектного персонала САПР-М. Выполнены теоретические исследования типологии методов
автоматизированного проектирования в предметной области машиностроения и используемых при этом средств обеспечения автоматизации проектных работ. Разработаны модели проектного персонала и предметной области содержания обучения АПР.
В разделе 2.1 рассмотрены особенности автоматизации машиностроительного проектирования и схема взаимодействия комплекса автоматизированных систем в процессах жизненного цикла изделий машиностроения. Отмечено, что методы и средства комплексной автоматизации (СЛЬЗ/ИПИ/РЬМ-технологии и системы) оказывают существенное влияние на характер деятельности персонала САПР-М, интегрированных в общую архитектуру автоматизированной проектно-производственной среды. Задачи повышения эффективности функционирования САПР требуют наличия у пользователей, ведущих проектную деятельность в комплексной системе, специальных знаний, а также навыков практического владения широким набором методов и средств АПР, включая технологии информационной поддержки проектно-производственных этапов жизненного цикла изделий.
В разделе 2.2 приведены результаты систематизации применяемых в машиностроении программно-методических комплексов ведущих мировых и отечественных разработчиков САПР. На основе сделанных обобщений выделен типовой состав модулей и подсистем САПР-М. Показано, что компоненты САПР, образующие предметную основу обучения автоматизированному проектированию персонала САПР-М, преимущественно являются объектно-ориентированными. В этом случае обучение навыкам автоматизированного проектирования должно происходить в контексте проектной деятельности. Были выделены три группы (класса) навыковых компетенций проектного персонала САПР.
• Владение документо-ориентированными средствами и технологиями САПР в контексте основной профессиональной роли. Такого рода компетенции необходимы самым широким профессиональным группам пользователей САПР.
• Владение продукто-ориентированными средствами и технологиями САПР, используемыми на определенных стадиях и операциях проектных работ. Такие компетенции прежде всего должны быть у профессиональных проектировщиков, работающих на выделенных (локальных) автоматизированных рабочих местах.
• Владение РЬМ-ориентированными средствами и технологиями САПР в контексте всего сквозного процесса машиностроительного проектирования. Эти компетенции необходимы персоналу интегрированных САПР-М для эффективной работы над большими и комплексными проектами в интегрированной информационной среде.
В разделе 2.3 рассмотрены особенности методологии автоматизированного проектирования изделий машиностроения. В процессе работы над комплексным учебником [17] автором были систематизированы содержательные компоненты первичной онтологии автоматизированного проектирования в машиностроении. Выделены основные сегменты ядра онтологии автоматизированного проектирования, определяющие структуру когнитивных компонент учебных (дидактических) элементов предметной области обучения. При этом отмечено, что предметная область машиностроения характеризуется наличием значительного количества трудноформализуемых проектных процедур и операций, требующих развития у пользователей творческих (креативных) качеств и способностей.
Проектировщик должен обладать не только обширными знаниями, но и развитыми умениями и навыками решения инженерных задач в среде современных САПР и РЬМ-решений. С целью формализации профессиональных компетенций проектного персонала было предложено классифицировать средства обеспечения САПР и, соответственно, знания, умения и навыки их использования в проектной деятельности по типу спецификаций объектов, которыми оперируют пользователи на определенных стадиях проектных работ. Так, в общей методологии машиностроительного проектирования принято выделять
аспекты (страты), стадии (этапы) проектирования, а также компоненты этих конструктов на различных уровнях концептуализации. При этом профессиональные представления пользователей САПР-М должны включать множество страт автоматизированного проектирования изделий в среде виртуального предприятия (АР vp), в том числе:
функциональную (APSFJ\ конструкторскую (APSK); технологическую (APST);
информационную {АР У, организационную (APS0): методическую (АРШ).
ЛР'р - {APsf UAPSK UAPST UAPSI UAPS°UAPSM }. (1)
Проектирование машин и механизмов является многоэтапным циклическим процессом. Иерархическую структуру уровней машиностроительного проектирования можно представить в виде древовидного графа (рисунок 1).
В узлах графа находится конечное множество стадий PS, включающих подмножества проектных процедур РР, которые в свою очередь могут быть составлены из множества проектных операций РО. Согласно принятой гипотезе, для решения задач обучения автоматизированному проектированию проектного персонала САПР-М необходимо выделить важные для достижения поставленных учебных целей элементы процесса автоматизированного проектирования в ИИС. Таким образом, для реализации УНВП должно быть определено конечное множество автоматизированных проектных стадий APS *г, автоматизированных проектных процедур АРР %р и автоматизированных проектных операций АРО учебного автоматизированного проектирования АР ** .
Здесь APSvp = fapsvp,, aps4>2,-, i .—, aps%7>Lf,rne L - число проектных стадий;
АРР= {арр"vi, аррГ2.....appVj.....аррТм/, где М-число процедур;
АРО vp = {аро'р, ,аро%т2,.- , apovpapovpN}, где N— число операций.
Предложенная пользовательская модель интерактивной проектной процедуры позволяет формализовать и выделить элементарные дидактические элементы обучения владению средствами САПР, актуальные на определенном уровне подготовки пользователей.
Аррv = <х, рто, рио, дгг>, (2)
где х— операторы проектной процедуры; рта - технические средства обеспечения; р „„ - элементы (модули) программного обеспечения; рша- элементы информационного обеспечения;
р мт — элементы методического обеспечения, используемые в осваиваемой технологии.
Операторами проектной процедуры (операции) предложено называть доступные пользователю при выполнении данной процедуры команды и средства интерактивного взаимодействия x={xt, х2,... , xt,..., xR}, гдеR - число операторов.
С учетом основных положений современной концепции комплексной автоматизации производства и анализа сложившейся в машиностроении методологии проектирования предложена определенная иерархия уровней подготовки пользователей в области САПР.
На «.операторском начальном» уровне подготовки обучение автоматизированному проектированию сводится к освоению ограниченного множества операций и процедур, реализованных в конкретных системных решениях.
На «операторском специальном» уровне подготовки осваивается специально подобранный комплекс типовых проекгных процедур и их операторов, характерных для определенного класса прикладных программ. При этом сформулированы принципы отбора типовых проектных процедур и операций.
Иерархические уровни машиностроительного проектирования
Модель иерархических уровнен учебного автоматизированного проектирования
Уровни обучения проектного персонала. Показатели уровня
Автоматизированный комплексный процесс проектирования:
АР={АР8, АРР, АРО}
Автоматизированные проектные стадии:
АР8={ар$, | /«А..
Автоматизированные проектные процедуры:
APP={apPj и=1... М}
Автоматизированные проектные операции:
АРО={арок | к=1...Я}
Комплексный инженерный. Знания, умения, навыки ЛПР в интегрированной информационной среде
Локальный I инженерный.
Объектио-ориентироваиныс знания, умения, навыки АПР
на отдельных стадиях и локальных рабочих местах
Операторские уровни. Умения и навыки АПР на уровне процедур и операций:
- операторский специачьный, или уровень техника
(навыки владения топовыми процедурами и операциями);
- операторский начальный, или уровень оператора (умения и навыки АПР в среде
конкретной системы)
Рисунок 1 - Соотношение иерархических моделей процесса автоматизированного проектирования и обучения автоматизированному проектированию изделий машиностроения
На «локальном инженерном)> уровне подготовки наряду с универсальными навыками владения типовыми проектными операциями приобретаются объектно-ориентированные знания, умения и навыки, необходимые для эффективного автоматизированного проектирования изделий машиностроения на отдельной стадии проектных работ или локальном рабочем месте.
На «инженерном комплексном» уровне подготовки формируются умения и навыки проектной деятельности в интегрированной информационной среде.
Обучение автоматизированному проектированию объектов машиностроения на инженерных уровнях подготовки носит объектно-ориентированный характер и требует развития творческих инженерных способностей. При этом навыки владения технологиями САПР должны быть тесно увязаны с компетенциями в предметной области.
В разделе 2.4 предложено для обоснования и конкретизации наполнения предметной области обучения автоматизированному проектированию воспользоваться компетентност-ным подходом, в том числе понятийно-терминологическим аппаратом, рекомендуемым государственными образовательными стандартами. По аналогии с уже вошедшими в науку и практику конструктами компетентностного подхода введено понятие АПР-компетенций, определяемых как комплекс профессиональных компетенций, необходимых пользователю для эффективной деятельности в среде САПР, и АПР-компетентности как интегральной характеристики способности специалиста к деятельности в среде САПР (РЬМ-системы), проявляющейся в результатах проектирования.
С использованием технологий компетентностного подхода разработана компетент-ностная модель пользователя (из числа проектного персонала) машиностроительных САПР — КМ<ч", включающая когнитивные, навыковые и деятельностные компоненты.
Значительную часть знаний, представленных в вербальной и знаковой формах, достаточно легко можно классифицировать и формализовать. Навыковые компоненты, объединяющие умения, навыки и соответствующие личностные качества специалистов, также могут бьггь выделены и представлены как укрупненные дидактические единицы. Происходящее при обучении слияние когнитивных и навыковых компонент должпо реализоваться в результатах деятельности проектного персонала в среде САПР-М. При этом деятельностные компетенции связываются с профессиональными функциями, выполняемыми пользователями на определённом уровне их подготовки.
Для создания модели содержания предметной области обучения было предложено воспользоваться морфологическим подходом, хорошо зарекомендовавшим себя в практике инженерного творчества. Модель позволяет формализовать и автоматизировать процедуру формирования целевого содержания области обучения при разработке частных методик обучения автоматизированному проектированию. Множество элементов области обучения, которые необходимо освоить для подготовки к определенному виду деятельности, при этом образуется как проекция деятсльностных компетенций пользователя на общее поле дидактических элементов обучения. Графически такую модель можно отобразить в форме трехмерной морфологической таблицы (рисунок 2), основанием которой выступает морфологическое поле дидактических элементов, а по направлению третьего измерения откладываются деятельностные компоненты КМ°рг.
Модель содержания обучения автоматизированному проектированию ТМ "рг согласно компетентностному подходу должна быть адекватна компетентностной модели проектного персонала САПР-М. То есть справедливо утверждение о наличии соответствия
и с ТМ14" хКИ"". (3)
Практика показывает, что в общем случае соответствие не является функциональным, поскольку одной компетенции { "пг / в частных методиках может соответствовать некий набор элементов ТМ "'". Полученное множество компонент ТМ определяющих содержательное наполнение процесса обучения АПР, также можно разделить на несколько подмножеств в соответствии с требуемым уровнем подготовки:
ТМ"" с ТМ4"1 и ТМ""2 и ТМ""3. (4)
Подмножество ТМ щ" ' составляют элементы, обеспечивающие освоение автоматизированного проектирования на процедурно-операциональном уровне. Прежде всего сюда войдут элементы обучения работе с программно-техническими средствами САПР.
Технологический уровень обеспечат компоненты ТМ °рг 2, которые связывают САх-технологии со знаниями, умениями и навыками из предметной области проектирования.
Для системного уровня, обеспечивающего эффективную деятельность персонала САПР в интегрированной информационной среде, необходимо овладеть средствами и технологиями С А Ь 5 /И П И/Р Ь М, сосредоточенными в ТМарг3.
Рисунок 2 - Морфологическая модель предметной области содержания обучения AIIP
Третья глава содержит результаты систематизации методического обеспечения (Methodical Support), включаемого в поставки ведущих отечественных и мировых производителей и интеграторов машиностроительных САПР (таблица 1).
Необходимость подготовки и переподготовки персонала нашла свое отражение в существенном увеличении объема и разнообразия методического обеспечения современных САПР, в том числе за счет включения в его состав справочных систем, электронных учебников, примеров и упражнений но выполнению проектных процедур и т.д.
Таблица I - МтО учебного назначения ведущих зарубежных производителей САПР-М
Компоненты Компания-разработчик |
ГГМК САПР Siemens PLM Soft. Dassault Systeme« PÏC
Модули промышленных систем, доступные для академического использования: - NX; - Solid Edge; - Femap; - Teamcenter; - Tecnomatix; ... - САШ; - SolidWorks; - SIMULIA; - ENOVIA; - DELMIA;... - Creo (Pro-E); - Windchill; - Arbortext; - PTC MathCAD;
Компоненты Methodical Support, представленные на порталах компании и партнеров в РФ
Textbooks: (учебники) - 8 на рус. языке; > 20 на англ. языке >10 на рус. языке > 30 на англ. языке - 2 на рус. языке; > 10 на англ. языке
User Guides: (руководства) по всем подсистемам по всем подсистемам по всем подсистемам
Manuals: (описания) по всем подсистемам по всем подсистемам по всем подсистемам
Tutorials: (инструкции) но всем подсистемам по всем подсистемам по всем подсистемам
e-Leaming Portal: (портал электронного обучения) http://training. industrysofhvare. automation, siemens.com http://academy. 3ds.com/ http://www.ptc.com/ training/elearning/
Training Courses: (учебные курсы). Формы обучения: - Online Training (дистанционно); - Instructor Led Training (под руководством инструктора); - Self-Paced Training (самостоятельно) - «Engineering Design»; - «Mechanical Engineering»; - ...(>50). По всем базовым технологиям САПР-М (CAD/CAM/CAE) и комплексной автоматизации (CALS/PLM) - CATIA Surface Modeling; - CATIA PLM Industry Solutions; - ...(>250). По технологиям CAD/CAM/CAE и PLM - Сгео Simulate; - Business Administration of Windchill PDM-Link; - ...(>100). По технологиям CAD/CAM/CAE и PLM
CAST- Computer Aided Self Training: (пособия для самоподготовки) по технологиям CAD/CAM/CAE по технологиям CAD/CAM/CAE по технологиям CAD/CAM/CAE
Samples: (примеры проектных решений) по технологиям CAD/CAM/CAE, PLM... по технологиям CAD/CAM/CAE, PLM... по технологиям CAD/CAM/CAE, PLM...
Exercises: (упражнения) по технологиям CAD/CAM/CAE по технологиям CAD/CAM/CAE по технологиям CAD/CAM/CAE
University Edition (учебные лицензии) на основные модули на основные модули на основные модули
Training Tools, Student Edition (SE) (средства обучения, учебные версии) Solid Edge SE, NX Learning Edition, Plant Simulation SE SolidWorks SE, CATIA V5 SE, Abaqus SE, CATIA V6 for Education Creo Elements/Pro Schools Edition & SE, PTC MathCAD Prime SE
Крупные компании создают авторизованные учебные центры, разрабатывают фирменные программы обучения и сертификации специалистов. Стало популярным проведение вендорами САПР вебинаров и интернет-конференций, а также учебных курсов с использованием технологий дистанционного обучения (е-Ьеагпйщ). С существенными скидками предлагаются академические лицензии на использование промышленных систем.
В разделе 3.1 рассмотрены компоненты методического обеспечения, предназначенные специально для обучения персонала САПР, которые были объединены в отдельную группу, названную «Методическое обеспечение учебного назначения» (МтО УН) (таблица 2). Соответствующие компоненты МтО УН САПР позволяют сформировать так называемую электронную образовательную среду, предназначенную для автоматизации процессов освоения знаний в выделенной предметной области обучения.
Таблица 2 - Классификационная схема МтО учебного назначения
Методическое обеспечение учебного назначения САПР-М
Средства обеспечения дидакгико-информационной поддержки обучения САПР Средства автоматизации когнитивной поддержки обучения Средства обучения навыкам АПР
• Программы учебных курсов • Контрольно-сертификационные материалы • Документо-ориентированные учебники, методические указания и учебные пособия • Демонстрационные материалы учебного назначения • Сборники показательных примеров проектных решений • Информационно-консультационные системы • Базы знаний • Системы контроля знаний и АОС-репетиторы • Автономные системы и средства электронного обучения (включая ИЭТР и электронные учебники) • Системы дистанционного образования (СДО) • Информационные образовательные среды • Практические руководства • Сборники учебных проектных задач и упражнений • Адаптированные версии программного обеспечения • Интерактивные обучающие прикладные программы и системы: - АПР-тренажеры; УИ САПР; - виртуальные профессиональные среды учебного назначения
Большинство разработчиков САПР для автоматизации учебных курсов и организации информационной on-line поддержки пользователей используют универсальные e-Learning системы, которые рассматриваются специалистами как один из действенных инструментов, позволяющих ускорить процессы внедрения и сопровождения PLM-решений.
Наряду с достоинствами отмечены и недостатки когнитивных технологий обучения АПР. С позиций деятельносгного подхода к обучению существенные недостатки заключаются в том, что формализованные элементы знания в этих образовательных ресурсах искусственно отделены от умений и навыков автоматизированного проектирования.
В разделе 3.2 подробно рассмотрены известные технологии и средства обучения умениям и навыкам автоматизированного проектирования, выделены и описаны особенности учебных САПР, отличающие их от промышленных систем и решений. При этом показано, что требования, предъявляемые к средствам обеспечения учебного назначения, обуславливают ряд дополнительных задач при создании УИ САПР, для решения которых уже недо-
статочен базовый функционал промышленных систем и необходимы определенные действия по развитию и усилению обучающих функций методов и средств САПР-М.
Выделены классификационные признаки учебно-исследовательских САПР: по типу объектов проектирования; по типу субъектов обучения; по профессиональным стратам; по комплексности обучения. Особо выделен класс тренажеров для обучения автоматизированному проектированию и дано определение АПР-тренажеров как разновидности УИ САПР, реализующих методику учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа и предназначенных для развития умений и навыков пользователей на локальных этапах проектных работ, с использованием отдельных проектных операций, процедур или технологий.
Главным отличием УИ САПР, АПР-тренажеров и УНВП от средств электронного обучения, основанных на знаниях (АОС, СДО, электронных учебников и пр.), а также множества компьютерных тренажеров и виртуальных учебных сред другого типа является развитие и использование обучающих функций САх-технологий, средств и методов автоматизированного проектирования.
В разделе 3.3 показано, что базовые технологии САПР-М обладают определенными обучающими функциями, необходимыми для развития АПР-компетентности пользователей, за счет исследовательских качеств компьютерного моделирования, инженерного анализа и других интерактивных методов и средств АПР. В методическом обеспечении САПР учебного назначения они должны целенаправленно использоваться и развиваться.
В работе подробно исследованы обучающие функции технологий инженерного анализа, оптимизации и визуализации, имеющие определяющее значение при реализации метода учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа На основании многолетнего опыта создания и эксплуатации УИ САПР силовых авиационных конструкций совместно с проф. Комаровым В.А., Солововым A.B. отмечен феномен латентности процессов инженерного анализа объектов проектирования, процедур оптимизации и его связь с квалификацией пользователей. Выявленные обучающие функции целенаправленно использованы и усовершенствованы при создании и неоднократных модификациях тренажера по проектированию структур силовых конструкций. Были разработаны обладающие повышенными дидактическими качествами интерактивные методы и средства оптимизации и анализа чувствительности (рисунок 3, а); визуализации полей параметров в компьютерных моделях конструкций (рисунок 3, б, в, г).
Разработан обширный комплекс учебных проектно-конструкторских задач (ПКЗ) (рисунок 4), анализ которых позволил сформулировать общие закономерности генерации проектных задач для АПР-тренажеров и УНВП. Особо выделен принцип, согласно которому учебные проектные задачи в тренирующих системах обязательно должны формулироваться в оптимизационной постановке.
Четвертая глава посвящена разработке и развитию средств формирования умений и навыков автоматизированного проектирования на локальных этапах проектных работ.
В разделе 4.1 рассмотрен функционал компьютерных тренажеров, используемых в различных предметных областях. Особо выделены разработки, предназначенные для развития навыков интеллектуальной деятельности. При этом определены достаточно универсальные дидактические принципы и методические приемы, отработанные в индустрии промышленного тренажеростроения, компьютерных игр и электронных образовательных ресурсов (ЭОР), распространяемые на область создания АПР-тренажеров.
В разделе 4.2 обобщены результаты авторских разработок и опыт использования АПР-тренажеров. Подробно рассмотрены сценарии учебной деятельности и технические приемы реализации комплекса тренажеров, в своей совокупности охватывающих важней-
шие компетенции конструкторской страты. В том числе рассмотрены тренажеры по обучению АПР: структур силовых конструкций (рисунок 5, б, в); конструкций из композиционных материалов (рисунок 5, г); конструкций, подверженных потере устойчивости (рисунок 5, д); разъемных и неразъемных соединений элементов конструкций (рисунок 5, е, ж, з).
а-
г
Рисунок 3 - Выявление и развитие обучающих функций технологий САПР: анализ чувствительности; б, в, г - визуализация в методах структурной оптимизации
Открытие файла задачи ¡Х|
1 Вывирите задачу Е Просмотр '" !""- Успов«* эавечн |
{пюзгто К? (подет Н| (ПОВДЯ Щ (гообзте КГ нЮ7.стя Ш-|П308.8ТИ ¡й |пю&&т кр |Я>Ю.ЭТЙ |нпгят плз.гтн Р0И5ТГ» |ЯП&5Ш |Р016.8ТЙ ^ 1----------— ! ! Условии эолаии N001 Случай нефдовни« N1 Ру-З—1МООН Сл^вЯ нетрухаык* N2 Ру*-10000 Н Маоулк упругости Е • 100000 (Кг/Си-2 или МПа) Дспусхавмов иолркжвиив [5]. 1000 [Кг/См-г или №]
; [Отфыть | Отме>«н|
а
Рисунок 4 - Показательные примеры из комплекса учебных ПКЗ для обучения навыкам: а - топологической; б - параметрической оптимизации
На основании проведенного исследования обоснован переход от частных мегодик учебного автоматизированного проектирования к разработке общей методологии создания и использования тренирующих подсистем промышленных и учебных САПР. Показано, что метод учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа существенно отличается от промышленных методов автоматизации проектирования аналогичных изделий и включает ряд специфических проектных процедур. В том числе в тренажерах должны использоваться разветвленные стратегии проектирования с цикличной повторяемостью этапов, позволяющих обучаемому практическим путем исследовать свойства проектируемых объектов и процессов, влияющие на эффективность инженерных решений. В итоге сформулированы общие принципы и рекомендации по разработке средств обеспечения и частных мегодик учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа. Так, на рисунке 6 показана типовая схема АПР-тренажера. На примере развития первого тренажера рассмотрены и обоснованы правила и рекомендации по отбору и постановке учебных проектных задач для УАПР тренирующего типа
Рисунок 6 - Функциональная схема типового АПР-тренажера
В разделе 4.3 показано, что обоснование разработанной методики учебного автоматизированного проектирования базируется на основных положениях общей методологии проектной деятельности, технического творчества и когнитивной психологии. Работа в среде САПР существенно меняет процессы мыслительной деятельности проектировщиков. Для успешного решения творческих проектных задач необходимо сочетание у пользователей не только формальной логики и знаний, развиваемых традиционными методами, но и особых профессиональных навыков, приобретаемых исключительно в процессе самого автоматизированного проектирования.
При разработке методологической схемы учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа использована циклическая ступенчатая модель творческой мыслительной деятельности, принятая в современной психологии и теории инженерного творчества. Предложено описывать методику проектирования тренирующего типа с использованием принципов и семантики методологической схемы вычислительного эксперимента (модель Балчи), применяемой в имитационном моделировании. В соответствии с принятой методологической схемой разработана обобщённая модель метода учебного автоматизированного проектирования для АПР-тренажеров, предназначенных для обучения навыкам выполнения процедур автоматизированного проектирования на локальных этапах проектных работ (рисунок 7).
| Начала УАПР 1
Забер/аение ЧАГР
Разработка пербога барианта проект /но аснобе имеющегося опыта и интуиции)
Кадиробание /параметризация/
Абтомализиробонное Выполнение расчетов параметроб проекта
/Ьлучение /преВъябление) критерия эффективности /значения функции цели/ барианта ароекла для сравнения с рациональным /теоретически оптимальным/ решением
Рисунок 7 - Обобщенная методологическая схема УАПР тренирующего типа
В пятой главе описывается разработка и обобщается опыт использования экспериментального учебно-научного виртуального предприятия для обучения автоматизированному проектированию в интегрированной проектно-производственной информационной среде. УНВП логично продолжают линию УИ САПР и АПР-тренажеров, предназначенных для формирования и развития навыковых компетенций пользователей. Обсуждается концепция использования виртуальных предприятий для обучения автоматизированному проектированию проектного персонала САПР-М, приводятся отличия УНВП от учебных виртуальных предприятий, созданных с другими целями и в других предметных областях.
В разделе 5.1 обсуждаются этимология и практика промышленной виртуализации. Выделяются и классифицируются виртуальные офисы и ВП, используемые в образовании. Вводится определение УНВП как специализированного РЬМ-решения, создаваемого на базе учебного заведения или центра переподготовки кадров, имитирующего единое информационное пространство производственного предприятия и предназначенного для апробации информационных технологий в проектах внедрения и обучения персонала САПР.
Формулируются основные принципы разработки и применения УНВП для обучения проектного персонала интегрированных САПР, в том числе следующие.
1. Принцип виртуальности учебного предприятия предполагает использование технологий, средств и методов виртуализации, в том числе таких, как виртуальная реальность (VII), виртуальные лаборатории (УЬаЬ) и виртуальная инженерия (\'Еп").
2. Принцип прототипирования архитектуры автоматизированной проектно-производственной среды промышленного предприятия устанавливает, что прототипом при создании УНВП может выступать конкретное промышленное предприятие или обобщенная модель предприятий, построенная по типовой отраслевой схеме.
3. Принцип имитации производственной среды определяет, что УНВП-М, созданное на базе инфраструктуры учебного центра, может не использовать технологическое оборудование, а оперировать только компьютерными моделями и имитаторами.
4. Принцип развития обучающих функций технологий и компонент методического обеспечения САПР реализуется посредством интеграции в учебное РЬМ-решение технологий и методических средств обеспечения учебного назначения (АОС, программ тестирования, тренажеров и т.д.); кроме того, в САх-технологиях, задействованных в УНВП-М, необходимо особым образом акцентировать и усиливать их обучающие функции.
5. Согласно принципу системного единства и комплексности УНВП следует рассматривать как организационно-техническую систему, поддерживающую непрерывный (сквозной) процесс проектирования на всех стадиях и этапах проектных работ.
6. Принцип стандартизации предусматривает обязательность использования при реализации методики учебного автоматизированного проектирования основных положений актуальных для предприятия или отрасли промышленных и информационных стандартов.
7. Принцип деятельностного и компетентностного подхода к обучению САПР предполагает использование в УНВП соответствующих методов учебного проектирования.
Раздел 5.2 посвящен разработке архитектуры проектно-производственной среды и метода учебного автоматизированного проектирования в едином информационном пространстве виртуального предприятия. На основе обследования ведущих предприятий региона, сопряженного с ним структурно-функционального моделирования и анализа методологии машиностроительного проектирования разработана обобщенная методологическая схема УАПР в среде УНВП. Методологическая схема представлена в двух нотациях. Первая - в форме линейно-возвратной стадийной модели (рисунок 8), составленной по аналогии с классической схемой машиностроительного проектирования. Данный подход рекомендуется для реализации длительных и сложных учебных проектов.
©
Учебное ТЗ ^
-РОМ
Организационно-технический стык КТП и ТПП
I §
I
I I
I
I
I й-
- слв-л
-СА0-2С -САРР -Бй -РОМ
-САО -САРР -МЕ5 -Б/1
- САО-31
- САРР -САМ -ИР -РИМ
САО, САН, САЕ, САРР
САП/ САМ, С АС/ САРР
-ИКТ
Завершение УАПР или возврат на начальную стадию при реализации методики УАПР тренирующего типа
Рисунок 8 - Методологическая схема УАПР в среде УНВП
Вторая - циклическая модель проектной деятельности с периодически повторяющимися операциями верификации и валидации результатов проектирования, предназначенная дам организации УАПР тренирующего типа. При этом отмечено, что для реализации метода учебного проектирования тренирующего типа в УНВП необходимо использование специально подобранных проектных задач, обладающих высокими дидактическими качествами.
С целью проверки выдвинутых в разделе 2 теоретических положений в соответствии с обобщенной компетентностной моделью КМ °рг для одного из основных направлений подготовки проектного персонала САПР-М конкретизирован перечень дидактических элементов области обучения АПР системного уровня:
Карг - Р ({КаргРК > КаргРТ > КаргОМ}), (5)
включающий ироектно-конструкторские (РК). производственно-технологические (РТ), организационно-управленческие (ОМ) страты. В качестве примера приведено несколько возможных срезов (проекций) морфологической модели, связывающей выделенные в федеральных государственных образовательных стандартах компетенции проектного персонала с компонентами модели содержания обучения ТМ vr и этапами УАПР в среде УНВП.
В разделе 5.3 описано экспериментальное УНВП, созданное на базе центра компьютерного проектирования, учебно-производственных и авторизованных учебных центров в политехническом вузе. В качестве основного инструментария экспериментальной разработки использован комплекс решений компании «АСКОН».
По заданию АСКОН разработаны рекомендации по применению в учебных решениях компании методологии учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа. Издано и включено в состав методического обеспечения компании руководство [23] по развертыванию академической поставки комплекса «АСКОН» в форме учебного виртуального предприятия в технических вузах и авторизованных учебных центрах
Установлено, что для формирования информационно-образовательной среды, необходимой для развития компетенций персонала комплексных САПР, стандартная фирменная поставка программно-методического комплекса «АСКОН»
S={P,, М,}, (6)
включающая множество промышленньсх программных модулей Р1 и комплект фирменного методического обеспечения М,, должна быть дополнена следующими компонентами:
Р2 - дополнительными программными средствами учебного назначения: автоматизированными обучающими системами, АПР-тренажерами и пр.;
g - обобщенным вариантом структуры баз данных об изделиях и рекомендациями по наполнению элекгронного архива УНВП;
q — образцами, примерами и рекомендациями по формированию организационного обеспечения (00) учебной САПР;
М2 ' — методическими разработками, учебными пособиями и рекомендациями для студентов по использованию PLM-технологий;
М2 2 - базовым комплектом специального методического обеспечения, необходимого для разработки частной методики учебного автоматизировашгого проектирования;
М2 3 - руководствами по настройке и использованию системы управления инженерными данными (PDM) и потоком работ (Work-Flow) для организации управления учебной проектной деятельностью.
Согласно описываемой методике, авторские информационное Iuvp и организационное Quvp обеспечения УНВП формируются как образы ИО и ОО прототипа промышленного предприятия /; и Q, соответственно, IUvp=f (Ii), Quvp~g(Qi), определяемые функциональными отношениями: g: I, Iuvp; q: Q, -> Q,,^.
Существенные дополнения фирменной поставки требуются в области методического обеспечения. В процессе создания опытного PLM-решения был выделен целый ряд дополнительных компонент специального методического обеспечения УНВП:
Muvp = М2' иМ22иМ2\ (7)
Следует отметить, что методическое обеспечение УНВП - Миур по условиям поставки должно формироваться на базе и с использованием фирменных компонент М1. Однако соответствие Mi х Muvp является неполным и неоднозначным. Например, в понятийном плане методическое обеспечение УНВП необходимо дополнить теоретическими знаниями в области САПР, терминами и определениями актуальных информационных и общетехни-
ческих стандартов и пр. В итоге структура развертывания УНВП на базе университетской поставки приобретает следующий вид:
V = {Р, ■ МГР2,, /„,„, Маур}. (8)
Шестая глава посвящена исследованию эффективности обучения навыкам автоматизированного проектирования. Многолетний опыт эксплуатации АПР-трекажеров и УНВП позволил выявить устойчивый социальный эффект от использования разработанных методов и средств обучения автоматизированному проектированию, заключающийся в повышении общего уровня квалификации проектного персонала САПР-М, возрастании интереса и познавательной активности пользователей, увеличении производительности преподавательского труда.
В разделе 6.1 обосновывается методика и приводятся результаты исследований эффективности учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа. Показано, что изучение процесса освоения навыков АПР целесообразно проводить, опираясь на результаты решения пользователями показательных проектных задач из предметной области проектирования. В качестве тестов для объективной оценки профессиональной квалификации проектного персонала САПР-М предложено использовать специально подобранные структурные задачи в оптимизационной постановке. На примере структурного тренажера проиллюстрирована предложенная методика исследования эффективности АПР-тренажеров и рассмотрены различные показатели эффективности проектных решений. Так, в качестве показателя удобно использовать простое отношение
(9)
где №'„ - критерий эффективности проектного решения (в нашем случае масса конструкции), предложенного проектировщиком, а УУ^, - показатель оптимального варианта. Тогда оценка очень плохого проекта близка к нулю, а оценка очень хорошего проекта стремится к единице (рисунок 9, а).
Рисунок 9 - Графики оценки результатов У АПР на локальных этапах проектирования
Заметим, что с точки зрения специалиста средний показатель 0.5 неудовлетворителен, так как такая конструкция вдвое тяжелее, чем оптимальная. Затраты интеллектуальных усилий для приближения к уровню 1.0 имеют, вероятно, гиперболический характер. Поэтому для оценки квалификации конструктора предложено использовать отношение показателя качества решения к величине его недобора до оптимума:
Ч = Р/(1-Р), (10)
как это выглядит на рисунке 9, б.
При эксплуатации тренажера в учебном процессе ряда вузов в РФ и за рубежом были подтверждены выявленные закономерности. Тренажер оказался достаточно удобен для тестирования навыков проектирования рациональных машиностроительных конструкций у обучаемых с различным уровнем подготовки. Предложенные показатели также могут быть использованы для оценки деительносгных компетенций проектировщиков при профессиональном отборе проектного персонала САПР-М.
В разделе 6.2 предложена методика и приведены результаты исследования процесса формирования профессиональных компетенций проектировщиков в интегрированной информационной среде. Для оценки эффективности обучения в среде УНВП предложен интегральный критерий, вытекающий из определения автоматизированного проектирования как информационного процесса накопления знаний об объекте проектирования, отражающий не только объем выполненных работ, но и результативность учебного проектирования:
Ф=/(П,Р), (11)
где О - уровень полноты проработки проекта, а Р - достигнутый при этом показатель эффективности проектного решения. В частном случае интегральный критерий может быть вычислен как произведение двух данных показателей: Ф = О-Р.
Полноту разработки учебного ГГКЗ - О достаточно точно отражает объем полученной (переработанной) пользователем в процессе УАПР содержательной информации. Параметр £2 рассчитывается на каждом этапе нарастающим итогом с учетом оценок всех выполненных проектировщиком работ, которые нормируются в диапазоне 0 - 1:
К* = К,/(Ктах -Кпип), тогда О, = 2(£21 К?), (12)
I = 1:п, где я — число пройденных обучаемым в УНВП проектных процедур.
На основе обработки экспериментальных данных, полученных в процессе опытной эксплуатации экспериментального виртуального предприятия в авторизованном учебном центре «АСКОН-СамГТУ», выявлены зависимости (рисунок 10), отражающие влияние различных методик учебного автоматизированного проектирования на процесс накопления знаний при решении комплексных учебных проектных задач. Гладкие кривые, приведенные на рисунке 10, б, получены на основе осреднения многочисленных экспериментальных данных, как, например, показано на рисунке 10, а. Графики представляют обобщенные результаты анализа проектной деятельности трех потоков студентов (более 100 чел.), проходивших подготовку по трем различным учебным планам, и наглядно демонстрируют динамику выполнения учебных проектов. Если предположить, что все проектные процедуры вносят одинаковый вклад в формирование знаний об изделии, траектория обучения должна быть линейной, как показано на рисунке 10, б тонкими линиями. Назовем такую линию опорной траекторией обучения. Однако в реальном проектировании скорость формирования знаний существенно меняется на различных стадиях проектных работ. На начальных стадиях прирост знаний об изделии минимален, так как идет накопление информации, ее переработка и осмысление. На завершающих стадиях проектирования прирост знаний также невелик, поскольку интеллектуальные ресурсы тратятся на рутинные операции оформления принятых ранее проектных решений. В итоге траектория обучения закономерно получает характерную 8-образную форму. В случае неавтоматизированного проектирования (кривая 1) траектория накопления знаний получается более пологой и растянутой во времени. Полнота проекта при этом достаточна для приобретения проектных компетенций, но существенно снижен показатель эффективности решений по сравнению с автоматизированным проектированием (кривые 2 и 3).
а б
Рисунок 10 - Траектории формирования знаний в процессах комплексного учебного проектирования: а - график индивидуальной работы пользователя; б - модели, обобщающие результаты деятельности трех потоков обучаемых (1- традиционная технология; 2 — автоматизированное проектирование в локальных системах; 3 — проектирование в ИИС)
Эффективность проектных решений в случае автоматизированного проектирования заметно выше (в среднем на 20-30 %) за счет использования более точных расчетных схем и компьютерных моделей, а также применения оптимизации и увеличения вариантности проектирования. Однако уровень эффективности проектов, полученных с использованием локальных методов автоматизированного проектирования (кривая 2), оказался схожим с уровнем эффективности проектов, выполненных в УНВП (кривая 3). Отмечено, что существенное влияние на эффективность проектирования оказывают исследовательские функции выбранной технологии выполнения автоматизированной проектной процедуры и ее место в комплексе работ, а не показатель интегрированности компонент САПР. В описываемых методиках значительное повышение эффективности конструкторских решений было достигнуто за счет использования инженерного анализа и оптимизации на ранних стадиях проектных работ, когда большая свобода конструирования позволяет наилучшим образом использовать преимущества автоматизированного проектирования.
Выполнение учебного проектирования в среде учебного виртуального предприятия позволило существенно сократить временные затраты на обучение. По сравнению с неавтоматизированным проектированием аналогичный результат достигался обучаемым за почти вдвое меньший период. По сравнению с локальными методами автоматизации проектирования при работе в УНВП также наблюдается эффект ускорения обучения (до 50 %). Эти показатели объясняются использованием в учебном автоматизированном проектировании САЬ8/ИПИ/РЬМ-технологий, обеспечивающих значительное сокращение числа ошибок и потерь времени при выполнении обучаемыми процедур поиска, обработки, обмена и хранения проектных данных.
В приложениях приведены иллюстрированные описания АПР-тренажеров, экспериментального УНВП (рисунки 11, 12), а также документы, подтверждающие внедрение и практическую ценность разработок. За время эксплуатации разработанных методов и средств обучение автоматизированному проектированию прошли более трех тысяч специалистов, в том числе студенты и преподаватели вузов, а также работники промышленных предприятий Поволжского региона. Отмечено, что стабильный положительный эффект от использования методов и средств обучения автоматизированному проектированию, наблюдающийся в плановом учебном процессе вузов, существенно возрастает при целевой
подготовке и переподготовке персонала в авторизованных учебных центрах и реализации проектов внедрения САПР в промышленности.
Рисунок 11 - Фрагменты пользовательского интерфейса среды машиностроительного предприятия, смоделированного в экспериментальном УНВП
fe/jf ¿»AIR001 - ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ, версия 1 S •^,®É?Am(»1.001 • Планер, версия 1
Ь Ат001.001001-Крьто.екес*я2
И AJR001 001.001 021 - Узел навески элерона, версия 2
AIR001.001.001.021. версия 1 a ¿,©¿?AIROCn.001.001 021 ■ кронштейн варом 1 ; ^$S|!?AJR001.001.001.021. версия 1 - AIR001.001.001.Q22CTofr^oepo«l
В fci'lSí^AJROOl 001.002-Оперев.версия2
в ^¿"ftt^AJROOl. С01.002.003 ■ Узел кавесхи ру/эт маграе/w*«.ecpcvei I
¡ - ^fei:?AIR001.001.002003.001. версия 1 9 (4/Ь£?ЛН001.001.00г004-Уэвлиаввс«.рапя|)ысотывесо«1
- ^3^AJR001.001.002004. версия 1 - .001.003 • Пия» явгвтвля. версия 2
Й t^d?í?AIR001.001.003001 • У зел tiaoeouj дгимтепа. версия 1 fci'b«Í>AlR001.001.003.001. версия 1 £ t¡/©¿*AJR001.001.003.001 • «poMUTeíH верой 1 Н ^^tf^AIROOI.001.004 - Ортегыуравлетя, версия 2
В С^Ь^^НОШ.ООГООДОШ-УмлкреппвгияпэдвлеЛверсия« S .001.004.001. верст 1
Рисунок 12 - Фрагменты деятельности пользователя в среде экспериментального УНВП
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований разработаны новые теоретические положения, составляющие основу методологии обучения автоматизированному проектированию в области формирования навыковых профессиональных компетенций проектного персонала машиностроительных САПР, совокупность которых можно квалифицировать как научное достижение. В работе изложены новые научно обоснованные технические решения и рекомендации по созданию и применению специализированных компьютерных тренажеров и учебных виртуальных предприятий, внедрение которых позволяет значительно повысить уровень профессиональной подготовки пользователей машиностроительных САПР, сократить сроки реализации проектов внедрения комплексных систем за счет ускорения процессов обучения и адаптации персонала САПР-М к условиям проектной деятельности в интегрированной информационной среде.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. На основании проведенного системного анализа проектно-протводсгвенной среды и содержания деятельности персонала автоматизированных систем в комплексных решениях, реализуемых ведущими разработчиками САПР, выделены уровни обучения проектного персонала, определено их содержательное наполнение и квалификационные характеристики. Разработаны комлетентностная модель и модель области обучения автоматизированному проектированию пользователей машиностроительных САПР.
2. Изучено и классифицировано методическое обеспечение учебного назначения, используемое в современных машиностроительных САПР, в составе которого выделены средства обучения навыкам автоматизированного проектирования, определены роль и место учебно-исследовательских САПР, тренажеров и виртуальных учебных сред.
3. Разработан комплекс тренажеров для пользователей САПР, охватывающий важнейшие компетенции конструкторов-машиностроителей, в котором реализованы методики учебного автоматизированного проектирования силовых конструкций, использующие развитые обучающие функции методов инженерного анализа, оптимизации, визуализации, приемы стимулирования познавательной деятельности обучаемых.
4. Систематизирован опыт создания авторских АПР-тренажеров и разработаны рекомендации по созданию и использованию профессиональных тренажеров, предназначенных для развития навыков проектного персонала машиностроительных САПР на локальных этапах и процедурах проектных работ. Разработан обобщенный метод (методологическая схема) учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа.
5. Предложены принципы разработки и применения учебных виртуалыгых предприятий для обучения проектного персонала САПР-М проектной деятельности в комплексных системах. Разработаны методологическая схема учебного автоматизированного проектирования и архитектура автоматизированной проектно-производственной среды учебного назначения, реализованные в форме учебно-научного виртуального предприятия.
6. Разработки и результаты исследований внедрены в ряде вузов, на машиностроительном предприятии, в методическом обеспечении разработчиков и интеграторов САПР.
7. Апробация и исследования эффективности разработанных методов и средств обучения показали, что при комплексном подходе к обучению проектного персонала САПР-М на 20-30 % повышается качество выполнения учебных проектов и существенно (до 50 %) сокращается время освоения навыков автоматизированного проектирования.
Основные публикации по теме диссертационной работы
Статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК
1. Соловов, A.B. Об одном инженерном алгоритме оптимизации плоских конструкций на основе метода конечных элементов / A.B. Соловов, A.A. Черепашков // Прикладные проблемы прочности и пластичности. - 1988. - Вып. 39. - С. 54 - 61.
2. Соловов, A.B. Отображение результатов прочностных расчетов по МКЭ на графических дисплеях / A.B. Соловов, A.A. Черепашков // Прикладные проблемы прочности и пластичности. - 1989. - Вып. 41.-С. 105 -110.
3. Комаров, В .А. Компьютерные тренажеры для конструкторов / В.А. Комаров, A.A. Черепашков // Научно-технический журнал «Полет». — 1999. — № 8. — С. 31 - 36.
4. Черепашков, A.A. Технологии информационной поддержки виртуального предприятия в техническом вузе / A.A. Черепашков // Вести. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. «Технические науки». - 2006. - Вып. 41. - С. 109 - 114.
5. Черепашков, A.A. Виртуальное предприятие в техническом вузе как средство подготовки кадров для машиностроения / A.A. Черепашков, Н.В. Носов // Изв. Самар. науч. центра РАН. — 2009.— Спец. вып. «Актуальные проблемы машиностроения». — С. 268 - 271.
6. Черепашков, A.A. Организация комплексной подготовки целевого персонала интегрированных машиностроительных САПР на базе специализированных учебно-промышленных центров технического вуза / A.A. Черепашкой // Вестн. Самар. гос. аэрокосм. ун-та - 2009. - № 3 (19), ч. 1. - С. 137 - 142.
7. Черепашков, A.A. Обучение автоматизированному проектированию в авторизованном учебном центре технического вуза / А.А.Черепашков // САПР и графика. - 2009. -№ 12.-С. 88-91.
8. Черепашков, A.A. Моделирование процессов КТПП машиностроительного завода в среде учебно-научного виртуального предприятия / A.A. Черепашков // Изв. Самар. науч. центра РАН.-2010.-Т. 12,№ 1(2).-С. 619 - 622.
9. Черепашков, A.A. Реализация учебно-научного виртуального предприятия на платформе АСКОН / А.АЛерепашков, A.B. Букатин // Известия Самарского научного центра РАН. - 2011. - Т. 13, № 1 (3). - С. 742 - 745.
10. Черепашков, A.A. Методика оценки эффективности подготовки целевого персонала машиностроительных САПР / A.A. Черепашков // Изв. Самар. науч. центра РАН. — 2011. — Т. 13, №4(3).-С. 897-899.
11. Черепашков, A.A. Анализ опыта и методологии подготовки целевого персонала машиностроительных САПР на базе центра компьютерного проектирования / A.A. Черепашков // Вестн. Самар. гос. аэрокосм, ун-та. - 2011. - № 3 (27), Ч.2.-С.309-314.
12. Пузанкова, А.Б. Компетентностная инженерно-графическая подготовка студентов для деятельности в среде виртуальных производств / А.Б. Пузанкова, A.A. Черепашков И Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. «Психолого-педагогические пауки». - 2012. - № 1 (17). -С. 155-161.
13. Носов, Н.В. Обучение специалистов-машиностроителей наукоемким компьютерным технологиям в учебных центрах при СамГТУ / Н.В. Носов, A.A. Черепашков // Вести. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. «Психолого-педагогические науки». - 2012. - № 1 (17). -С. 139 - 144.
14. Черепашков, A.A. Использование модифицированной методологической схемы Б алчи для моделирования учебного виртуального предприятия / A.A. Черепашков И Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. «Технические науки». - 2012. - № 2 (34). - С. 90 - 96.
15. Хрустицкий, К.В. Комплексная автоматизация технологической подготовки производства и управления процессами механической обработки корпусных деталей машин / К.В. Хрустицкий, A.A. Черепашков // Вест. Самар. гос. аэрокосм, ун-та. - 2012. - № 5 (36), ч.1.-С. 61-71.
16. Черепашков, A.A. Опыт развертывания машиностроительного ПМК САПР в форме учебного виртуального предприятия / A.A. Черепашков, A.B. Букатин // Вест. Самар. гос. аэрокосм, ун-та. -2012. -№ 5 (36), ч. 1. - С. 357 - 364.
Монографии, учебники и учебные пособия
17. Черепашков, A.A. Компьютерные технологии, моделирование и автоматизированные системы в машиностроении: учебник [Допущено учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО AM) в качестве учебника для студентов высших учебных заведений...] / A.A. Черепашков, Н.В. Носов. - Волгоград: Ин-фолио, 2009. - 650 с.
18. Черепашков, A.A. Основы САПР в машиностроении: учеб. пособ. / A.A. Черепашков. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. - 133 с.
19. Черепашков, A.A. Компьютерная графика и геометрическое моделирование в машиностроении: учеб. пособ. / A.A. Черепашков. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. -134 с.
20. Черепашков, A.A. Компьютерные технологии. Создание, знедрение и интеграция промышленных автоматизированных систем в машиностроении: учеб. пособ. / A.A. Черепашков. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. - 143 с.
21. Компьютерное моделирование и автоматизация технологических процессов в машиностроении / Б.В. Бондин, P.M. Лысак, Н.В. Носов, A.A. Черепашков. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. - 91 с.
22. Черепашков, A.A. Автоматизированное проектирование технологических процессов: практикум / A.A. Черепашков, В.Н. Воронин. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2011. — 119 с.
23. Черепашков, A.A. Учебное виртуальное предприятие на платформе Комплекса решений АСКОН (разработка и внедрение) [Электронный ресурс] / A.A. Черепашков, A.B. Букатин. - СПб.: АСКОН, 2013. - 144 с. - Режим доступа: http://edu.ascon.ru/library/methods/?cat=43 (21.12.13).
Другие публикации
24. Учебная САПР силовых конструкций / Комаров В.А., Соловов A.B., Черепашков A.A. [и др.] // Автоматизация поискового конструирования и подготовки инженерных кадров: тез. докл. Всесоюзн. конф. - Иваново, 1983. - С. 61 - 62.
25. Подсистема проектирования плоских конструкций учебной САПР / В.М. Гульнев, С.В. Мрыкин, A.A. Черепашков // Актуальные проблемы совершенствования подготовки специалистов авиационного профиля: тез. докл. Всесоюз. науч.-метод. конф. — М.: МАИ, 1984.-С. 77-78.
26. Некоторые методологические особенности построения и применения учебных САПР / В.А. Комаров, A.B. Соловов, A.A. Черепашков Н Системы автоматизированного проектирования и обучения: межвуз. сб. науч. тр. - Иваново: ИЭИ, 1987. - С. 9 - 15.
27. Черепашков, A.A. Алгоритмы интерактивной растровой графики для отображения полей физических характеристик в САПР / A.A. Черепашков, A.B. Соловов // Математические методы автоматизации проектирования сложных систем, сб. науч. трудов. - М.: МФТИ, 1987.-С. 28-36.
28. Черепашков, A.A. Применение анализа чувствительности в обучении / Черепашков A.A., Соловов A.B. // Индивидуализация обучения в ведущих вузах России: тез. докл. В серое. конф. - Самара: СамПИ, 1991. - С. 106 - 107.
29. Черепашков, A.A. Тренажер для конструктора по устойчивости / A.A. Черепашков // Проблемы фундаментапизации инженерного образования в СГАУ: тез. докл. научно-мет. конф. - Самара: СГАУ, 1994. - С. 44 - 45.
30. Черепашков, A.A. Применение компьютерных инженерных тренажеров для интенсификации обучения проектированию / A.A. Черепашков // Интенсивные технологии обучения в подготовке специалистов: тез. докл. науч. конф. - Самара: СГАУ, 1996. - С. 81.
31. Черепашков, A.A. Применение компьютерных тренажеров для обучения инженеров / A.A. Черепашков, В.А. Комаров // Научно-методические проблемы высшего образования на рубеже XXI века: сб. науч. трудов. - Самара: СГАУ, 1998. - С. 35 - 46.
32. Черепашков, A.A. Разработка и развитие нормативно-методического обеспечения регионального учебно-научного центра CALS-технологий / A.A. Черепашков, В.А. Комаров // Применение ИЛИ (САЬ8)-технологий для повышения качества и конкурентоспособности наукоемкой продукции: матер, междунар. конф. - М., 2003. - С. 35 - 36.
33. Черепашков, A.A. Основные принципы создания учебного виртуального предприятия / A.A. Черепашков // Актуальные проблемы развития университетского технического образования в России. - Самара: СГАУ, 2004. - С. 256 - 258.
34. Черепашков, A.A. Проблемы обучения технологиям комплексной автоматизации / A.A. Черепашков // Применение программных продуктов КОМПАС в высшем образовании: сб. трудов междунар. конф. -Тула: Изд-во Гриф и К, 2005. -С. 7 -10.
35. Черепашков, A.A. Учебно-научное предприятие вуза как средство обучения технологиям комплексной автоматизации / A.A. Черепашков // Актуальные проблемы развития университетского техническою образования в России. - Самара: СГАУ, 2006. - С. 201-202.
36. Черепашков, A.A. Научно-методические аспекты создания учебного виртуального предприятия в техническом вузе / A.A. Черепашков // Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении «ПИГ-2006»: сб. трудов конф. с междунар. участ. - Самара: СГАУ, 2006. - Т. 3. - С. 133 - 138.
37. Черепашков, A.A. Выявление инновационных направлений подготовки инженерных кадров для машиностроительных предприятий автомобильного территориально-отраслевого кластера г. Самары / A.A. Черепашков // Актуальные проблемы трибологии: сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. - М: Машиностроение, 2007. - С. 424 - 431.
38. Черепашков, A.A. Компьютерное моделирование среды виртуального предприятия в вузе / A.A. Черепашков // Компьютерные технологии в науке, практике и образовании: сб. трудов Всерос. науч.-пракг. конф. - Самара: СамГТУ, 2007. - С. 128 - 131.
39. Черепашков, A.A. Опыт подготовки пользователей машиностроительных САПР на базе специализированных учебных центров ФМиАТ СамГТУ / A.A. Черепашков // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы междунар. науч.-техн. конф. -Самара: СГАУ,2011.-Ч. 1.-С. 120-121.
40. Хамфрис, X. Обучение пользователей САПР в фирменных тренинг-центрах Великобритании / X. Хамфрис, A.A. Черепашков // Актуальные проблемы разработки и использования компьютерных технологий в машиностроении: межвуз. сб. науч. ст. с междунар. участием. - Самара: СамГТУ, 2010. - С. 14 - 18.
41. Носов, Н.В. Формирование инженерных компетенций по прикладным компьютерным технологиям в учебно-производственных центрах при СамГТУ / Н.В. Носов, A.A. Черепашков // Творческий потенциал 2011: труды междунар. науч.-пракг. конф. - Самара: СГАСУ, 2011.-С. 173- 177.
42. Черепашков, A.A. Обучение персонала в проектах внедрения САПР. Учебное виртуальное предприятие на платформе АСКОН / A.A. Черепашков, A.B. Букатин // САПР и графика - 2011. - № 10. - С. 36 - 39.
43. Черепашков, A.A. Методика развертывания университетской поставки промышленного ПМК САПР в форме учебного виртуального предприятия / A.A. Черепашков, A.B. Букатин // Самолетостроение России. Проблемы и перспективы: матер, симпоз. с междунар. учасг. - Самара: СГАУ, 2012. - С. 421 - 423.
44. Черепашков, A.A. Проблема выбора методологической схемы учебного автоматизированного проектирования в среде УНВП / A.A. Черепашков // Современные компьютерные технологии фирмы DELCAM в науке, образовании и производстве: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. — Самара: СамГТУ, 2013. - С. 73.
45. Черепашков, A.A. Развитие профессиональных компетенций персонала как фактор повышения эффективности PLM-решений / A.A. Черепашков // Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии: матер. VI Всерос. науч.-практ. конф. - Оренбург: ИПК «Университет», 2013. - С. 85 - 89.
Подписано в печать 19.05.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. п. л. 2,0.
Тираж 100 экз. Заказ Д/ ЦС'б Отпечатано в типографии Самарского государственного технического университета 443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус № 8
Текст работы Черепашков, Андрей Александрович, диссертация по теме Системы автоматизации проектирования (по отраслям)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
(СГАУ)
ФЕДЕРАЛЬНОЕ Г ОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (СамГТУ)
0/201451 Правахрукописи
Черепашков Андрей Александрович
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ
В МАШИНОСТРОЕНИИ
05.13.12 -Системы автоматизации проектирования (в машиностроении)
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук
Научный консультант: Комаров Валерий Андреевич,
доктор технических наук, профессор
Самара - 2014
СОДЕРЖАНИЕ
Введение........................................................................................................................................................................................5
1. Проблема обучения автоматизированному проектированию....................................11
1.1. Анализ современного состояния и тенденций развития теории и практики
САПР в свете проблемы обучения автоматизированному проектированию..................11
1.1.1. Истоки проблемы обучения автоматизированному проектированию . 12
1.1.2. Состояние и тенденции развития машиностроительных САПР......................27
1.1.3. Автоматизация машиностроения и развитие учебных САПР в РФ............33
1.2. Роль методов и средств обучения автоматизированному проектированию
в общей проблематике разработки и эксплуатации САПР..........................................................41
1.2.1. Задачи кадрового обеспечения проектов внедрения
и эксплуатации САПР........................................................................................................................................................41
1.2.2. Разработка и использование методического обеспечения САПР..................48
1.3. Основные подходы к решению проблемы обучения автоматизированному проектированию в научных работах......................................................................................................................53
1.4. Общие итоги и выводы по разделу №1 ....................................................................................................70
2. Автоматизированная проектная среда и профессиональные компетенции персонала машиностроительных САПР..................................................................................................72
2.1. Особенности автоматизации проектирования объектов машиностроения..............72
2.2. Средства обеспечения современных машиностроительных САПР................................82
2.2.1. Типовой состав прикладного программного обеспечения САПР-М..........91
2.3. Отражение методологии машиностроительного проектирования в САПР-М .. 95
2.3.1. Аспекты и стадии машиностроительного проектирования................................96
2.3.2. Онтология предметной области проектирования........................................................110
2.4. Компетентностный подход к обучению автоматизированному
проектированию................................................................................................................................................................................115
2.4.1. Компетентностная модель проектного персонала САПР..............................................117
2.4.2. Модель содержания предметной области обучения АПР....................................122
2.5. Общие итоги и выводы по разделу №2......................................................................................................125
3. Методическое обеспечение САПР и обучающие функции технологий
автоматизированного проектирования..........................................................................................................127
3.1. Обучающие компоненты методического обеспечения САПР............................................127
3.1.1. Компьютерные технологии и средства освоения знаний......................................141
3.2. Компьютерные технологии и средства обучения умениям и навыкам АПР..........145
3.3. Обучающие функции технологий и средств САПР......................................................................151
3.3.1. Обучающие функции CAE-технологий и систем..........................................................154
3.3.2. Методы оптимизации в УИ САПР................................................................................................160
3.3.3. Методы визуализации в УИ САПР........................... ........................................173
3.4. Общие итоги и выводы по разделу № 3 ....................................................................................................178
4. Методы и средства обучения автоматизированному проектированию на локальных этапах проектных работ................................................................................................................180
4.1. Распространение достижений тренажеростроения
на область обучения САПР........................................................................................................................................180
4.1.1. Педагогико-психологические аспекты тренажеростроения..............................184
4.1.2. Технические и технологические аспекты тренажеростроения........................189
4.2. Обобщение опыта разработки и использования компьютерных тренажеров
для обучения автоматизированному проектированию........................................................................195
4.2.1. Эволюция методики учебного автоматизированного проектирования
на примере разработки тренажеров по CAE-технологиям................................................................198
4.2.2. Развитие методики УАПР в тренажерах по CAD-технологиям....................214
4.2.3. Принципы разработки и эксплуатации АПР-тренажеров....................................220
4.2.4. Общие рекомендации по разработке сценария тренажа
и сборника учебных проектных задач................................................................................................................225
4.3. Систематизация и обоснование методики учебного автоматизированного проектирования в среде тренирующих подсистем УИ САПР......................................................228
4.3.1. Основные подходы к развитию инженерных способностей в общей методологии проектирования и теории технического творчества........................................................230
4.3.2. Использование семантики имитационного моделирования для
описания методики УАПР тренирующего типа..........................................................................................239
4.4. Общие итоги и выводы по разделу №4..................................................................................................244
5. Методы и средства обучения автоматизированному проектированию в
интегрированной проектно-производственной среде....................................................................245
5.1. Назначение, определение, основные принципы создания и использования учебно-научных виртуальных предприятий............................................................. 245
5.1.1. Научно-производственные центры в высшей школе..................................................247
5.1.2. Технологии и средства промышленной виртуализации........................................251
5.1.3. Виртуальные предприятия в обучении....................................................................................253
5.1.4. Основные принципы создания и применения УНВП для обучения автоматизированному проектированию..............................................................................................................258
5.2. Разработка архитектуры УНВП и методологической схемы учебного автоматизированного проектирования в интегрированной информационной
среде................................................................................................................................................................................................261
5.2.1. Анализ и моделирование процессов КТПП типового машиностроительного предприятия....................................................................................................................262
5.2.2. Методологическая схема учебного автоматизированного проектирования в среде машиностроительного УНВП....................................................................283
5.3. Реализация экспериментального машиностроительного УНВП......................................290
5.3.1. УНВП технического вуза на платформе АСКОН....................................................297
5.3.2. Методика развертывания университетской поставки полномасштабного комплекса САПР в форме УНВП........................................................................309
5.4. Общие итоги и выводы по разделу №5 ..................................................................................................312
6. Исследование эффективности методов и средств обучения навыкам
автоматизированного проектирования....................................................................................................313
6.1. Исследование эффективности АПР-тренажеров..........................................................................314
6.2. Исследование эффективности УАПР в среде УНВП..........................................................................323
6.3. Общие итоги и выводы по разделу №6..................................................................................................336
Заключение................................................................................................................................................................................337
Список сокращений и условных обозначений............................................................................................339
Список литературы................................................................................................................................................................343
Приложение А. Сборники учебных проектных задач и упражнений....................................375
Приложение Б. Иллюстрированные описания авторских АПР-тренажеров..................381
Приложение В. Иллюстрированное описание методики учебного автоматизированного проектирования в среде экспериментального УНВП..................................................411
Приложение Г. Сведения об апробации и внедрении результатов работы......................422
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. При решении задач модернизации и инновационного развития экономики Российской Федерации прикладным компьютерным технологиям отводится одна из ведущих ролей. В настоящее время повышение конкурентоспособности промышленных предприятий напрямую связывается с использованием систем автоматизированного проектирования, интегрированных в единое проектно-производственное пространство. «Информационная интеграция и системная поддержка жизненного цикла продукции (CALS-, CAD-CAM-, САЕ-технологии)», составляющие содержательную основу САПР, уже с 2002 г. были включены отдельной строкой в перечень критических технологий РФ (Пр-578 от 30.03.2002 г.) и вошли в общий комплекс информационных технологий в действующей редакции. Согласно распоряжению Правительства Российской Федерации (№ 1944-р от 3.11.2011 г.) научная специальность 05.13.12 «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)» отнесена к списку специальностей научных работников, соответствующих «приоритетным направлениям модернизации и технологического развития российской экономики».
Современная наука и практика создания и эксплуатации САПР развиваются по отраслям, при этом в ряду самых сложных и массовых выступают комплексные системы информационной поддержки жизненного цикла изделий машиностроения [123, 218, 238, 243]. Однако развитие и повышение эффективности комплексных систем автоматизированного проектирования и производства (PLM-систем, часто называемых «решениями» - PLM-solutions) сдерживается прежде всего отсутствием квалифицированных специалистов, обладающих необходимыми профессиональными компетенциями для деятельности в интегрированной информационной среде (ИИС) [175, 224, 357].
По своему определению автоматизированное проектирование (АПР) является сложным информационным процессом взаимодействия проектировщиков (персонала САПР) и комплекса средств автоматизации проектных работ [3]. С расширением области приложения, углублением специализации и увеличением сложности современных САПР объектов машиностроения (САПР-М) все более важным для успешной автоматизации подготовки производства становится создание эффективных средств и методов обучения автоматизированному проектированию персонала комплексных систем. Это проявляется в значительном увеличении объема и разнообразия методического обеспе-
чения, поставляемого на рынок ведущими разработчиками и интеграторами САПР. Обучение и переподготовка персонала стали обязательным и одним из критичных по длительности и результативности этапов в проектах внедрения PLM-решений [61, 286].
Степень разработанности темы. В экономически развитых странах в свое время были инициированы серьезные изменения в системе образования с учетом происходящей компьютеризации промышленности. И сейчас практически все учебные заведения технического профиля в США и Западной Европе имеют в своих учебных программах практикумы по основам автоматизированного проектирования [146, 353, 364]. Во многих вузах ведутся исследования и разработки в области компьютерных наук и САПР (в том числе в интересах самой высшей школы), связанные с проблематикой обучения и поддержкой учебного процесса. Так, например, мировыми лидерами в сфере создания и исследования промышленных компьютерных технологий являются Массачусетский технологический институт (MIT) [366], Колумбийский университет и Университет Пурдью [370] в США, университеты Кембриджа и Бирмингема в Великобритании. В России большое внимание развитию САПР уделяют в национальных исследовательских университетах, в том числе в МГТУ им. Баумана, МГТУ СТАНКИН, МАИ, МАТИ, МФТИ, СГАУ, ТПУ, Южном и Сибирском федеральных университетах, Брянском, Волгоградском, Воронежском, Самарском, Тверском технических университетах, Ивановском энергетическом, Уфимском авиационном университетах и ряде других вузов.
Учебные дисциплины, посвященные изучению теоретических основ и практическому применению автоматизации проектных работ, присутствуют в учебных планах и программах подавляющего большинства учебных заведений технического профиля. Выпущен целый ряд учебников по теоретическим основам и применению САПР как у нас в стране [38, 103, 113, 136, 169, 214, 228, 286 и др.], так и за рубежом [91, 146, 270, 320 и др.]. Все это позволяет с полным правом отнести САПР к классическим учебным предметам цикла прикладных компьютерных наук. Регулярно, в нарастающих объемах издается методическая и техническая литература по САПР, что свидетельствует о сохранении интереса к данной тематике и о продолжающемся расширении области приложения систем автоматизированного проектирования.
Анализ научных публикаций и диссертаций по САПР позволяет отметить не только актуальность проблемы обучения АПР, но и сделать выводы о недостаточной разработанности общей методологии обучения автоматизированному проектированию и
необходимости развития ее практических приложений по отраслям. Слабо изучены и проработаны вопросы обучения проектного персонала САПР умениям и навыкам автоматизированного проектирования. Нуждаются в разработке соответствующие методы и средства обучения автоматизированному проектированию в машиностроении.
Цель работы заключается в повышении эффективности функционирования машиностроительных САПР и сокращении сроков реализации проектов внедрения РЬМ-решений за счет обучения проектного персонала навыкам автоматизированного проектирования в интегрированной информационной среде. Задачи диссертационной работы:
1. Произвести анализ проектно-производственной среды и проектной деятельности персонала САПР в комплексных автоматизированных системах, построенных на базе решений ведущих производителей и интеграторов машиностроительных САПР, с целью определения содержания области обучения автоматизированному проектированию.
2. Систематизировать средства методического обеспечения САПР-М, проанализировать полноту и эффективность известных методов и средств обучения автоматизированному проектированию изделий машиностроения; выделить и развить обучающие функции средств и методов, используемых в промышленных САПР-М.
3. Обобщить опыт создания тренажеров, предназначенных для развития умений и навыков проектного персонала САПР на локальных этапах и процедурах проектных работ (АПР-тренажеров), и разработать метод учебного автоматизированного проектирования (УАПР) тренирующего типа.
4. Разработать метод учебного автоматизированного проектирования объектов машиностроения в среде учебного виртуального предприятия, обеспечивающий ускоренную подготовку и адаптацию проектного персонала САПР, интегрированных в единое информационное пространство автоматизированных производств.
5. Разработать архитектуру специализированного решения автоматизированной проектно-производственной среды в форме виртуального предприятия, предназначенного для обучения автоматизированному проектированию персонала интегрированных машиностроительных САПР; реализовать экспериментальное учебное виртуальное предприятия на базе учебного центра компьютерного проектирования технического вуза и исследовать эффективность разработанных методов и средств.
Научной новизной обладают:
- результаты теоретического исследования типологии проектно-производственной среды и средств обеспечения, применяемых в комплексных решениях ведущих производителей и интеграторов САПР-М, позволяющие определить содержание области обучения автоматизированному проектированию, обосновать необходимость создания и использования в комплексных решениях средств методического обеспечения САПР учебного назначения, предназначенных для развития навыков проектного персонала;
- принципы и приемы использования и развития обучающих функций машиностроительных САПР, показанные на примере реализации технологий инженерного анализа, оптимизации и визуализации в учебно-исследовательской САПР силовых конструкций;
- классификация методического обеспечения учебного назначения, учебно-исследовательских (УИ) САПР с выделением места и роли АПР-тренажеров, �
-
Похожие работы
- Комплексная автоматизация технологического проектирования в гибких производствах
- Разработка математических моделей объектов проектирования для автоматизированной обучающей системы в САПР/САИТ ЭВА
- Разработка методов и средств автоматизированного проектирования технологических операций токарной обработки на станках с ЧПУ для крупногабаритных высокоточных деталей авиационной техники
- Исследование и разработка систем автоматизированного обучения
- Повышение эффективности технической подготовки производства на основе моделирования и автоматизации проектирования технологического оборудования
-
- Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
- Теория систем, теория автоматического регулирования и управления, системный анализ
- Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
- Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)
- Управление в биологических и медицинских системах (включая применения вычислительной техники)
- Управление в социальных и экономических системах
- Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей
- Системы автоматизации проектирования (по отраслям)
- Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
- Системы обработки информации и управления
- Вычислительные машины и системы
- Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)
- Теоретические основы информатики
- Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
- Методы и системы защиты информации, информационная безопасность