автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка моделей и методов управления периодическими процессами технического обслуживания на авиаремонтном предприятии

На правах рукописи УДК 658.58 :004.9

Федотова Алена Валериевна

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ НА АВИАРЕМОНТНОМ ПРЕДПРИЯТИИ

05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (в промышленности)

05.13.12 — Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - Тверь - 2013

005543954

005543954

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана» и ГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет»

Научный руководитель: Ветров Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры информационных систем ГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет».

Научный консультант: Овсянников Михаил Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Компьютерные системы автоматизации производства» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана».

Официальные оппоненты:

Григорьев Вадим Алексеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой ЭВМ ГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет»,

Гладков Леонид Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы автоматизированного проектирования» Южного федерального университета.

Ведущая организация: ОАО «Корпорация «Иркут»

Защита состоится «20» декабря 2013 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.262.04 при Тверском государственном техническом университете по адресу: 170026, г. Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного технического университета.

Автореферат разослан

Ж ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.262.04

д.ф.-м.н., проф.

Дзюба С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка методологии, научных основ и формализованных методов построения автоматизированных систем управления технологическими процессами технического обслуживания и ремонта (ТОиР) предполагает моделирование и управление жизненным циклом (ЖЦ) сложной технической системы (СТС), включающим стадии ее проектирования, производства и эксплуатации. При этом важнейшей стадией ЖЦ СТС является стадия эксплуатации, на которой созданная система используется по назначению, а также выполняются работы по поддержанию ее работоспособности. Главной задачей на этой стадии является обеспечение установленного периода эксплуатации СТС, решение которой непосредственно связано с этапами ТОиР. Для СТС величины стоимости обслуживания и ремонтов на протяжении ЖЦ в несколько раз превышают стоимость ее приобретения и запуска в эксплуатацию. Создание научных основ построения новых взаимосвязей между различньми этапами ЖЦ СТС, в частности, между этапами проектирования СТС и ее технического обслуживания (например, в русле концепции «проектирования для технического обслуживания»), а также разработка методов и систем планирования и управления периодическими процессами технического обслуживания позволяют повысить эффективность, надежность и живучесть СТС.

Поскольку управление процессами ТОиР требует обработки больших объемов разнообразной информации, его реализация возможна только в автоматизированном режиме. Развитие автоматизированных системы поддержки ТОиР связано с переходом от узкоспециализированных компьютерных систем управления техническим обслуживанием CMMS (Computerized Maintenance Management System) к интегрированным системам комплексного управления основными фондами БАМ (Enterprise Asset Management). Современные системы БАМ позволяют согласованно управлять процессами ТОиР, материально-техническим снабжением, складскими запасами и пр. Однако существующие ЕАМ-решения, например, SAP БАМ или Oracle БАМ, являются весьма дорогостоящими, не поддерживают процессы управления знаниями о ТОиР, а также не позволяют заранее планировать периодические процедуры технического обслуживания (ТО).

Все вышеизложенное определяет актуальность темы диссертации, посвященной разработке методов и средств автоматизации ТО на авиаремонтном предприятии на основе онтологического подхода и алгоритмов планирования ТО.

Целью работы является повышение эффективности управления технологическими процессами технического обслуживания и ремонта СТС на основе разработки моделей, алгоритмов и программных средств автоматизированного планирования, используемых в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТТТ) обслуживания и ремонта.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

1. Обзор концепций и моделей жизненного цикла сложной технической системы. Построение моделей ЖЦ СТС различного уровня детализации.

2. Определение взаимосвязей между этапами ТОиР и другими этапами ЖЦ СТС с использованием построенных моделей жизненного цикла.

3. Разработка методологии, научных основ и формализованных методов построения автоматизированных систем планирования и управления технологическими процессами технического обслуживания

4. Построение системы онтологий ТО (на примере авиационной техники)

5. Анализ существующих подходов и систем планирования периодических процессов ТО для авиационной техники. Обзор типовых постановок задач планирования периодических процессов ТО. Математическая формулировка задачи построения и оптимизации периодических процессов ТО.

6. Анализ методов дискретной оптимизации применительно к решению задач ТО. Разработка метода планирования на основе решения задачи удовлетворения ограничений CSP (Constraint Satisfaction Problem). Разработка алгоритма эвристического поиска в пространстве состояний для решения задачи планирования.

7. Разработка общей архитектуры и модулей программной системы поддержки поиска решений

8. Оценка эффективности использования разработанных методов для прикладной задачи планирования периодических процессов ТО. Объектом исследования являются процессы управления ТО на стадии

эксплуатации СТС, среди которых выделяются периодические процессы, рассматриваемые в плане уменьшения времени ТО и увеличения сроков эксплуатации СТС.

Предмет исследования составляют методы, модели и программные средства управления и планирования периодических процессов ТО.

Методологические и теоретические основы исследования. При выполнении диссертации использованы методы системного анализа и исследования операций, математического программирования и теории расписаний, теории графов и теории алгоритмов, теории грануляции информации и теории программирования в ограничениях.

Среди классических трудов в области исследования операций и теории планирования следует отметить основополагающие работы таких ученых как: Р.Акофф, Г.Вагнер, Е.С.Вентцель, М.Гэри, Д.Джонсон, А.Кофман, Дж.Моудер, Г.СЛоспелов, Т.Л.Саати, В.С.Танаев, В.В.Шкурба, С.Элмаграби.

Для анализа методов математического программирования и дискретной оптимизации были использованы работы Л.В. Канторовича и Дж.Данцига, В.Каруша, Г.Куна и А.Таккера, Л.С.Понтрягина и Н.Н.Моисеева, Ф.Гилла и Э.Майника, Ю.И.Дегтярева и Г.Ш.Рубинштейна.

Метод программирования в ограничениях изложен в публикациях К.Апта, Р.Бартака, Т.ван Бика, А.Макверса, У. Монтанари, A.C. Нариньяни, Э.Х. Тыугу, Т. Уолша.

Понятие и модели жизненного цикла сложной технической системы были рассмотрены Б. Боэмом, Ю.Р.Валькманом, Г.Б.Евгеневым, К.Д.Жуком, Л.А.Кашубой, В.Б.Тарасовым и др. Анализ отношений между временными интервалами ЖЦ основан на работах Дж.Аллена, Д.А.Поспелова, А.П. Еремеева. Вопросы инженерии ЖЦ и управления ЖЦ освещены в публикациях Л.Алтинга, М.В. Овсянникова, Дж.Старка, Е.В.Судова и др. Развитие идей грануляции информации на различных этапах ЖЦ СТС опирается на труды Л.Заде, Т.Лина, В.Педрича, Ю.Яо, В.Б.Тарасова. Проблемам обеспечения эксплуатационной надежности и безопасности СТС посвящены работы Б.В.Гнеденко, Б.В.Палюха, В.Н.Богатикова.

Ключевая роль процессов технического обслуживания и ремонта на стадии эксплуатации СТС показана Э.Жардином, М.Брамбахом и Дж.Клэйдом, H.H. Смирновым, а проблема планирования периодических процессов ТОиР описана в книге Ю.М.Чинючина и И.Ф.Поляковой, стандарте MSG-3. Ее решение на основе методологии MSG-3 получило освещение также в работах сотрудников НИЦ CALS-технологий «Прикладная логистика» А.И. Левина, A.B. Петрова, Е.В. Судова и др.

При разработке онтологий ТОиР были использованы работы Т. Грубера, Н. Гуарино, Т.А. Гавриловой, A.C. Клещева, Р. Мизогучи, Г.С.Плесневича, A.B. Смирнова, С.В.Смирнова, Дж.Совы.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

1. Разработаны варианты гранулярного представления ЖЦ СТС с различной степенью абстрактности, предложена модифицированная спиральная модель ЖЦ.

2. Построена система онтологий для задач управления технологическими процессами технического обслуживания (на примере технического обслуживания самолета Ту-214).

3. Предложена методика сквозного управления ТО, позволяющая минимизировать время проведения ТО объекта за счет распределения работ по процедурам.

4. Разработан алгоритм построения конфигураций процедур ТО, основанный на модели онтологии предметной области, и методе удовлетворения ограничений, что позволяет определить максимальную трудоемкость процедуры ТО и общую стоимость ТО.

Результаты работы получены в ходе выполнения проектов РФФИ №1107-00738, № 13-07-90701, а также госбюджетной НИР № 8.5488.2011.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что предложенный подход к планированию ТОиР СТС позволяет уменьшить стоимость и сократить сроки технического обслуживания. Данный подход может быть применен не только на авиаремонтных предприятиях, но и на предприятиях других отраслей. Прикладная значимость диссертации связана также с разработкой подсистемы АСУТП ТО и интерфейсов для ее интеграции в существующие АСУТП ТОиР.

Внедрение и реализация результатов. Результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, внедрены на отечественных

предприятиях ОАО «Туполев», Группа компаний «Волга-Днепр», а также использованы в учебном процессе кафедры «Компьютерные системы автоматизации производства» МГТУ им. Н.Э.Баумана и кафедры «Информационные системы» ТвГТУ.

Апробация работы. Основные результаты и отдельные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конгрессах и конференциях: Международный конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиям (IS-IT, Дивноморское,2011-2013гг.), XIV-я и XV-я научно-практические конференции «Реинжиниринг бизнес-процессов на основе современных информационных технологий. Системы управления знаниями» (РБП-СУЗ, МЭСИ, 2011 и 2012 гг.), Международная летняя школа-семинар по искусственному интеллекту для студентов, аспирантов и молодых ученых «Интеллектуальные системы и технологии: современное состояние и перспективы» (Тверь-Протасово, 2011 и 2013гг.), Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Эффективные методы автоматизации технологической подготовки и планирования производства» (Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2011г.), Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы создания и поддержки высокотехнологичных производств» (Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2012г.), 5-я Всероссийская научная конференция «Нечеткие системы, мягкие вычисления и интеллектуальные технологии» (НСМВИТ, Сочи, 2013 г.), International IFIP Working Conference on Enterprise Interoperability, Information, Services and Processes for the Interoperable Economy and Society (Enschede, The Netherlands, 2013), 2013 IFAC Conference on Manufacturing Modelling, Management, and Control (MIM, Saint Petersburg, 2013), International Conference on Intelligent Information Systems (Chisinau, Moldova, 2013), 7й International Conference on Soñ Computing, Computing with Words and Perceptions in System Analysis, Decisión and Control (Izmir, Turkey, 2013), The 18й1 SAP Academic Conference EMEA. Very Large Business Applications (Munich, Germany, 2013), The llth International Conference on Manufacturing Research (Cranfield, UK, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 в международных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 176 наименований, и 2 приложения. Объем основного текста работы составляет 155 страниц, включая 47 рисунков и 18 таблиц. Полный объем диссертации составляет 186 страниц. На защиту выносятся:

1. Концепция и методы грануляции ЖЦ СТС.

2. Модифицированная спиральная модель ЖЦ СТС.

3. Система онтологий для технического обслуживания.

4. Формальная постановка задачи планирования периодического ТО и подзадачи распределения работ по процедурам, методы и алгоритмы ее решения для АСУТП ТО.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, его научная новизна и практическая ценность, указаны положения, выносимые на защиту.

В первой главе прослежена эволюция компьютерных систем управления ТОиР, которая привела к появлению методологии и систем управления активами предприятия БАМ (Enterprise Asset Management). Предложен вариант построения автоматизированной системы управления технологическими процессами технического обслуживания нового поколения, предполагающий интеграцию ЕАМ-систем с системами управления жизненным циклом класса PLM (Product Lifecycle Management) и системами управления знаниями KMS (Knowledge Management Systems), опирающимися на онтологическое моделирование и планирование периодических процессов ТО. В этом контексте рассмотрены методология, научные основы и формализованные методы построения систем PLM.

Изложен системный подход к проблеме технического обслуживания (ТО) сложной технической системы (СТС), связанный с изучением этапа ТО в рамках ее жизненного цикла как надсистемы. Представлена общая стратегия PLM, рассмотрена концепция LCE (Life Cycle Engineering), приведены методология, методы и программные средства управления ЖЦ СТС.

Сделан обзор существующих моделей жизненного цикла технических систем (последовательных, круговых, параллельно-последовательных, инкрементальных), позволивший обосновать целесообразность разработки спиральной модели ЖЦ. Предложены варианты гранулярных представлений ЖЦ СТС с использованием как крупнозернистых, так и мелкозернистых гранул. Построена круговая модель ЖЦ с нечеткими границами между его стадиями, реализующая их грануляцию на основе покрытия.

Будем представлять отдельные стадии жизненного цикла в рамках теоретико-множественной модели как гранулы, полученные путем разбиения, порождаемого фактор-множеством. Пусть Е - отношение эквивалентности, т.е. бинарное отношение, которое удовлетворяет условиям рефлексивности, симметричности и транзитивности. Отношение эквивалентности Е можно представить с помощью отображения из U в 2и, где 2(/-множество всех подмножеств универсума U. Отображение [•]£:£/->217 задается в виде [x]c={yeU\хЕу}. Подмножество [х]Ее2и, которое представляет собой класс эквивалентности, содержащий элемент есть гранула, состоящая из неразличимых элементов. Семейство всех классов эквивалентности, называемое фактор-множеством, обозначим через U/E={[x]^ xeU}. Оно определяет разбиение универсального множества U, т.е. семейство попарно неперекрывающихся подмножеств, объединение которых есть универсальное множество. Имеется взаимно-однозначное соответствие между отношениями эквивалентности и разбиениями множества.

Класс эквивалентности [х]£, определяющий гранулу, выступает в двух качествах: 1) как подмножество универсума U, и 2) как элемент фактор-

множества U/E. Таким образом, имеем два информационных представления одного и того же универсума: мелкозернистое (сингулярное) U и крупнозернистое U/E.

Введем обозначения стадий ЖЦ СТС: П - проектирование; Пр -производство; Э — эксплуатации, Р - рекуперация (Recycling). Тогда имеем, например,

ЖЦ, =ПиПриЭ, ПпПр = ПрпЭ = ЭпП=0 (1)

или ЖЦ> = Пр иЭ и Р, П п Пр = Пр п Э = Э n Р= Р п П =0.

Здесь структура ЖЦ2 отражает экологические требования к современному производству и тесно связана с концепцией «обращения ЖЦ» от стадии утилизации СТС к стадии ее создания. Первый вариант разбиения ЖЦ СТС в виде структуры ЖЦ] (1) можно наглядно изобразить в виде секторов круга (рис. 1).

Рис. 1. Круговое представление ЖЦ на Рис. 2. Круговое представление ЖЦ на основе разбиения: иллюстрация идеи основе покрытия: наличие совместных сокращения сроков проектирования и работ на всех стадиях ЖЦ производства и продления срока эксплуатации системы

Следует отметить, что представление ЖЦ как разбиения является весьма упрощенным и не отражает имеющихся взаимосвязей, условий кооперации между стадиями, которые частично перекрываются, причем в этой области перекрытия реализуются важнейшие функции. Например, на пересечении стадий Э и П формируется техническое задание на разрабатываемую систему, на стыке П и Пр разрабатываются технологии производства, а такие процессы как техническое обслуживание и ремонт предполагает взаимодействие специалистов из сфер эксплуатации и производства. Учет этих особенностей приводит к построению модели ЖЦ с нечеткими границами между его стадиями, т.е. грануляции ЖЦ на основе покрытия (рис.2). Здесь П и Пр и Э, но ПпПр ^0, Пр п Эф0, Эг\Пф 0.

Соответственно, этапы и стадии ЖЦ представлены в виде временных интервалов, а соотношения между ними описаны с помощью логики Аллена. В качестве примера взаимосвязей между ранними и поздними этапами ЖЦ рассмотрена концепция проектирования для технического обслуживания.

Центральное место в первой главе занимает построение и исследование спиральных моделей ЖЦ. Спиральные модели обеспечивают компенсацию недостатков и развитие достоинств линейной и круговой моделей. Исходя из анализа известных спиральных моделей ЖЦ Боэма и Кашубы-Тарасова, предложена модифицированная спиральная модель, позволяющая отобразить фактор гетерохронности (сокращение времени работ на начальных этапах ЖЦ и

продление сроков эксплуатации на поздних стадиях) в виде логарифмической спирали г = ехр (аср), где а — параметр вращения спирали, a q>— ее угол.

В общем виде спиральная модель ЖЦ СТС изображена на рис. 3.

В отличие от вышеупомянутых спиральных моделей, где основной акцент делается на этапах проектирования, здесь большее внимание уделяется стадии эксплуатации, в особенности, этапам и работам, относящимся к ТОиР. Ниже представлен общий перечень этапов ЖЦ, отображенных в данной модели (содержание этапов стадии эксплуатации подробно описано в диссертации).

В заключительной части первой главы в качестве примера реализации взаимосвязей между стадиями проектирования и эксплуатации рассмотрена методика проектирования для технического обслуживания (Design for Maintenance), связанная с обеспечением эксплуатационной надежности и безопасности будущей системы на начальных стадиях ее ЖЦ.

1. Формирование потребности в СТС.

2. Определение числа потенциальных потребителей, объема и стоимости производства. 3. Разработка технического задания (ТЗ). 4-7. Стадия проектирования:

4. Концептуальное проектирование (разработка и защита технического предложения).

5. Эскизное проектирование. 6. Техническое проектирование. 7. Рабочее проектирование. 810. Стадия технологической подготовки производства: 8. Разработка комплекта технологической документации. 9. Разработка конструкции технологического оснащения. 10. Разработка организационно-технической документации. 11. Изготовление технологического оснащения. 12. Изготовление опытного образца СТС. 13. Испытание опытного

образца СТС. 14. Корректировка технического проекта СТС. 15. Корректировка рабочего проекта СТС. 16. Корректировка документации по технологии изготовления СТС. 17. Корректировка документации по оснастке. 18. Корректировка организационно-технической документации. 19. Изготовление средств дооснащения. 20. Серийное производства СТС. 21. Транспортировка и хранение СТС. 22. Ввод в эксплуатацию 23. Использование СТС в соответствии со служебньм назначением. 24. Корректировка проекта в требуемом объеме. 25. Модернизация СТС. 26. Осмотры, диагностика СТС. 27. Гарантийное техническое обслуживание СТС 28. Текущий ремонт СТС. 29. Использование СТС в соответствии со служебным назначением. 30. Периодическое ТО. 31. Капитальный ремонт. 32. Послегарантийное ТО. 33. Использование СТС в соответствии со служебным назначением. 34. Утилизация СТС.

Вторая глава посвящена разработке теоретических основ, моделей и методов интеллектуализации решения задач технического обслуживания СТС и его планирования с использованием онтологического подхода.

Рассмотрена задача управления знаниями на протяжении жизненного цикла сложной технической системы. Основными этапами стадии эксплуатации помимо использования являются этапы транспортировки и хранения СТС, ее ввода в эксплуатацию, технического обслуживания и ремонта.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Рис. 3. Спиральная модель ЖЦ СТС

Систематизированы виды знаний, циркулирующих в сфере ТО. Дана классификация методов структурирования знаний применительно к ТО. Построена иерархическая система онтологий, представленная на рис. 4.

Метаонтология

Онтология верхнего уровня: онтология жизненного цикла

Онтология предметной области: техническое обслуживание

Онтология приложений: техническое обслуживание авиационной техники

Онтология задач технического обслуживания

Рис. 4. Иерархическая система онтологий

В ней представлены: онтологии нижнего уровня (онтология предметной области ТО, онтология задач ТО, онтология приложений в сфере авиационной техники), онтология верхнего уровня (онтология ЖЦ СТС - рис. 5), метаонтология, а также взаимосвязи между онтологиями. Здесь метаонтология обеспечивает точную, математическую спецификацию нижележащих онтологий и формальный анализ их свойств.

символьная

МоделированиеЖЦ

Интеграция стадий проектирования, производства и эксплуатации_I цель

Управление знаниями о

Обучение у

Метод представления знаний

Способ интеграции разнородной информации \

- ^

Обеспечение взаимопонимания \ Роль

мезд подразделениями предприятия

(между предприятием и его партнерами)

Форма представления I

графическая

последовательная / параллельная

круговая

по уровню общности 1 ( онтологии верхнего уровня г онтологии предметной области

1 1 онтологии задач V онтологии приложений

Таксономия («цикл-стадия-этап») Партономия («целое-часть») Генеалогия («предок-потомок»)

Рис. 5. Онтология жизненного цикла: представление с помощью ментальной карты

В диссертационной работе два различных вида метаонтологий -сингулярная (на основе элементов) и гранулярная (на базе интервалов) -применяются для выбора языка формализации онтологии верхнего уровня и онтологии предметной области. В частности, использование сингулярной метаонтологии означает выбор обычного языка теории ориентированных графов и деревьев для онтологии предметной области, а переход к гранулярной метаонтологии означает интервальный характер примитивов ЖЦ, например, его стадий. В диссертации сделан обзор онтологий верхнего уровня (DOLCE, PROTON, SUMO и др.) построены как наглядные, так и абстрактные модели онтологий. В частности, удобным средством визуализации онтологии являются ментальные карты. Пример представления онтологии ЖЦ СТС с помощью ментальной карты дан на рис. 5.

Введены определения основных понятий и атрибутов предметной области «Техническое обслуживание СТС» (на примере авиационной техники). Показаны взаимосвязи между понятиями различных уровней - система ТО СТС в целом (рис. 6), процедура, работа (рис. 7), построена диаграмма классов для ТОиР (рис. 8).

Рис. 7. Иерархия понятий в онтологии предметной области ТО: представление с помощью иМЬ диаграммы

Рис. 8. Структура технического обслуживания (в терминах диаграммы классов)

В работе также использована формальная модель онтологии в виде алгебраической системы:

ОШ= ( С, Я, П),

где С - конечное множество понятий, Я - конечное множество отношений между понятиями, а О - конечное множество операций над понятиями/ отношениями.

В частном случае, формальное представление онтологии ЖЦ имеет вид:

ОЫТш={РН,>,П), где РН— множество этапов (фаз) ЖЦ СТС, > есть отношение предшествования, П - отношение частичного перекрытия.

В диссертации предложено многоосновное представление онтологий в

виде:

ОМЬ = {С, К АТ, СБ), где С - конечное множество понятий предметной области, к - отношение иерархии на множестве С, удовлетворяющее условиям антирефлексивности, антисимметричности, транзитивности и полноты, АТ - семейство множеств атрибутов понятий (каждое понятие сеС может описываться своим множеством атрибутов), СБ— конечное множество ограничений.

В работе рассмотрена трехуровневая иерархия понятий, относящихся к ТО в целом и его компонентам. Техническое обслуживание есть базовое понятие (понятие верхнего уровня) онтологии предметной области, которое состоит из множества процедур (понятие среднего уровня). В свою очередь процедура состоит из множества работ (понятие нижнего уровня).

Понятие «Техническое обслуживание» имеет два основных атрибута: трудоемкость и затраты, а понятие нижнего уровня иерархии ТОиР «Работа» имеет такие атрибуты как трудоемкость, затраты, тип, совместная выполнимость. Типичными примерами ограничений в предметной онтологии

ТОиР являются следующие: промежуток времени между двумя работами не должен превышать максимально допустимого значения Т<Тдоп', время простоя оборудования в момент проведения процедуры ТО должно находиться в заданном интервале Tnpe[Tmln,Tmax\.

Удовлетворение ограничений является основой онтологии предметной области. Соответствующая задача описывается тройкой (V, D, GS), где V -множество переменных, D - множество областей определения этих переменных и CS - множество ограничений.

В заключительной части второй главы рассмотрено пространство ограничений для онтологии ТОиР.

В третьей главе даны формальная постановка и решение задачи планирования периодических процессов технического обслуживания. Основное внимание уделено комбинаторной задаче распределения работ по процедурам. Данная задача относится к классу задач дискретной оптимизации (целочисленного программирования) и является NP-трудной.

Будем полагать, что процесс технического обслуживания представляет собой совокупность процедур Р = [р,.}, i = 1, 2,...,п , выполняемых в сложной технической системе для поддержания ее исправности. Эти процедуры выполняются на временном интервале t=[ti, t„], задаваемом начальной и конечной точками /у и t„ соответственно (рис. 9).

Двумя основными критериями эффективности ТО являются общие затраты на проведение ТО S и максимальная трудоёмкость 1-й процедуры ТО, т.е. максимальное время Т, выполнения всех процедур. Соответственно, требуется определить состав и время проведения процедур ТО, при которых выполняются условия либо S min , либо Т = тах(Г() -> min при специальных ограничениях.

Процедуры pi

Работы

Р2

рл

Wn

iWk

> IW2

W1

Время

Рис. 9. Задача построения конфигурации процедур в ТО

Каждая процедура ТО р,-включает множество работ IV,. Одна и та же работа может включаться в разные процедуры. Распределение конкретных работ по процедурам будем дальше называть задачей построения конфигурации процедуры.

Совокупность работ по всем процедурам обозначим через (V = Ц,}, у = 1,2...к, ч)у - 7-я работа в 1-й процедуре.

Задача построения конфигурации процедур в ТО состоит в нахождении множества работ Ж,, г = 1,2...п, определяющих процедуру ТО. Она характеризуется следующими атрибутами:

• Параметр — позиция конфигурации (ПзК);

• Значение параметра - объект конфигурации (ОК);

• Домен - совокупность объектов конфигурации, подходящих для конкретной позиции конфигурации;

• Ограничения, которые могут ограничивать значение отдельного свойства объекта конфигурации, а также связывать произвольное число свойств различных объектов конфигурации (унарные, бинарные или парные ограничения).

Данная задача сводится к задаче целочисленного линейного программирования с булевыми переменными Ху, определяющими включенность /-Й работы в г'-ю процедуру:

[1, если ] -л работа входит в 1 - ю процедуру ТО 1 " [О, в противном случае ] '

В = где - материально-технические затраты на у'-ю работу, а

/ = [1, К ], К - общее количество работ в системе; Тгде - трудоемкость у'-й работы,

' = [1, А-], где К - общее

количество работ в системе

Пример матрицы X = представлен в табл.1.

Поставленная задача решается с учетом специальных ограничений:

1. Период времени между работами (Лг=Г1+у-г,) должен быть меньше, либо равен максимально допустимому промежутку времени между работами (А?та1); г, =/(>,),■*,. <((м-<■,)</,„„

2. Для задания возможности совместного выполнения работ введем матрицу совместимости. Если работы, определенные матрицей совместимости, выполняются в одной процедуре ТО, их стоимость снижается на 20%, пример матрицы совместимости представлен в табл. 2.

Таблица 1. Представление решения А'

Таблица 2. Матрица совместимости

N 1

1 1

7 1 V 1

ё 1

1

* 1 1 1

% 1

г

1 1 1 1 1 :

1 2 % 4 6 И к

Индексы работ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 +

2 +

3

4 +

5 +

6 +

7 +

8 +

9 +

10 +

3. Наработка оборудования в момент проведения г-ой процедуры ТО должна находиться в заданных пределах, 1„аршЫ < е,шрт1 <?„„т„, где -наработка т-то оборудования при проведении г-й процедуры ТО.

Исходные данные для задачи построения конфигурации процедуры ТО представляют собой перечень работ по ТО. В табл. 3 приведен пример такого перечня для задачи ТО оборудования связи самолета Ту-214.

В диссертации задача построения конфигурации процедур решается как задача удовлетворения ограничений CSP (Constraint Satisfaction Problem).

Таблица 3. Перечень работ ТО с их характеристиками

№ работы Название работы Максимальный промежуток времени между работами Atmax, дни Стоимость материалов Ri, руб Трудоемкость Ti, Нормо-часы Общая стоимость работ Si, руб

1 Осмотр и проверка работоспособности радиомаяка АРМ-406П на борту самолета 100 0 10 20

2 Снятие и установка ЛПМ с блока АЛМАЗ-УП 200 0 2 4

3 Демонтаж и монтаж радиомаяка АРМ-406АС1 200 10 3 16

4 Внешний осмотр радиостанции Р-855А1 300 20 3 26

5 Демонтаж и монтаж радиостанции Р-861 300 20 2 24

6 Внешний осмотр радиостанции Р-861 и смена аккумуляторов 200 10 1 12

7 Замена магнитной ленты и промывка щелей магнитных головок АЛМАЗ-УП 200 20 10 40

8 Проверка работоспособности моноблока ACIA АРМ-406П на борту самолета 100 10 1 12

9 Замена БАП АРМ-043 радиомаяка АРМ-406П 100 10 1 12

10 Замена БАП АРМ-043 радиомаяка АРМ-406АС1 200 10 20 50

В работе построен алгоритм поиска оптимального распределения работ по процедурам (рис. 10). Первоначально методом рандомизации формируется начальная конфигурация процедуры. Затем строится окрестность р для данной конфигурации, путем выделения набора конфигураций, ближайшего к текущей, когда по сравнению с исходной конфигурацией заменен только один компонент (см. табл. 1). Далее происходит поиск наилучшей конфигурации в данной окрестности.

Алгоритм поиска наилучшей конфигурации процедуры, предлагаемый в данной работе, относится к алгоритмам направленного перебора и состоит из следующих этапов:

1. Поиск всех дополнительных вариантов распределения работ по процедурам ТО, для которых выполняются все ограничения.

2. Упорядочивание полученных решений по целевой функции/

3. Минимизация значения целевой функции>тт.

На этапах 1 и 2 отсеиваются заведомо ложные комбинации за счет проверки простых ограничений. Таким образом достигается значительное сокращение пространства поиска. На этапе 3 из заранее ограниченного набора компонентов выбирается наилучший.

Далее определяется

наилучшая конфигурация как основа и выделяется окрестность р для данной основы. Если р=0, то найденная конфигурация считается наилучшей, и происходит останов

алгоритма. Если рф&, то в ней снова ищется наилучшая конфигурация, которая сравнивается с основой. Если полученная конфигурация является лучшей, чем предыдущая, то она определяется как новая основа. Предлагаемый алгоритм был реализован на языке С++. Был проведен ряд экспериментов по

распределению работ по процедурам и получены различные конфигурации, распределения процедурам, полученный в результате реализации алгоритма, приведен в Рис. 10. Алгоритм поиска решения табл 4

Таблица 4. Пример распределения работ по процедурам

варианты Пример работ по

90 180 270 360 450 540

Название работы дней дней дней дней дней дней

Осмотр и проверка работоспособности радиомаяка АРМ-406П на борту самолета 1 1 1 1 1 1

Снятие и установка ЛПМ с блока АЛМАЗ-УП 1 1 1

Демонтаж и монтаж радиомаяка АРМ-406АС1 1 1 1

Название работы 90 дней 180 дней 270 дней 360 дней 450 дней 540 дней

Внешний осмотр радиостанции Р-855А1 1 1

Демонтаж и монтаж радиостанции Р-861 1 1

Внешний осмотр радиостанции Р-861 и смена аккумуляторов 1 1 1

Замена магнитной ленты и промывка щелей магнитных головок АЛМАЗ-УП 1 1 1

Проверка работоспособности моноблока ACIA АРМ-406П на борту самолета 1 1 1 1 1 1

Замена БАП АРМ-043 радиомаяка АРМ-406П 1 1 1 1 1 1

Замена БАП АРМ-043 радиомаяка АРМ-406АС1 1 1 1

T¡ часы 23 37 28 37 23 42

S¡,py6 95,2 104 138,8 104 95,2 148,8

Тгаах —42 часов; 8=686 руб. На основе анализа этих экспериментов построен график зависимости стоимости ТО от максимальной трудоемкости процедуры (рис. 11).

S,py6

Рис. 11. График зависимости стоимости ТО от максимальной трудоемкости процедуры

Автоматизация процесса распределения работ по процедурам позволяет снизить затраты на ТО на 8,5 % и уменьшить максимальное время выполнения процедуры на 34%. Таким образом, предложенная методика обеспечивает значительное сокращение пространства поиска решений в задаче построения конфигурации процедур.

В заключительной части главы дана постановка задачи составления расписания работы участка, выполняющего ТО, и приведены рекомендации по математическому аппарату для ее решения. Также рассмотрен общий подход к диспетчированию работы данного участка.

В четвертой главе описаны основные функции, состав и приведена архитектура программной системы поддержки создания конфигураций процедур из работ.

Разработанная программная система обеспечивает подготовку данных задачи, формирование данных для запуска основного алгоритма поиска, запуск основного алгоритма - построение дерева решений, применение целевой функции, получение результатов поиска решений.

Программная система, разработанная на языке С++, состоит из трех основных подсистем и трех интерфейсов: подсистемы подготовки данных, подсистемы поиска решений, подсистемы просмотра результатов, интерфейса ввода данных, интерфейса управления процессом поиска решений, интерфейса получения результатов. Ее общая архитектура представлена на рис. 12.

Рис. 12. Общая архитектура программной системы

В приложении 1 приведены определения базовых понятий, относящихся к ТО по ГОСТ 18322-78, ГОСТ Р 53863-2010. Также дано общее описание конструкции и основных характеристик самолета Ту-214.

В приложении 2 приведены существующие методологии управления знаниями, а также языки описания и редакторы онтологий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны варианты гранулярного представления ЖЦ СТС с различной степенью абстрактности, предложена модифицированная спиральная модель ЖЦ.

2. Построена система онтологий для технического обслуживания СТС (на примере технического обслуживания самолета Ту-214).

3. Исследована проблема планирования периодических процессов ТО при наличии разнородных ограничений. Дана формальная постановка задачи планирования периодического ТО. Сформулирована математическая постановка задачи распределения работ по процедурам, предложены методы и алгоритмы ее решения с использованием метода удовлетворения ограничений.

4. Разработан алгоритм управления технологическими процессами ТО, который основан на онтологии предметной области, используемой для построения системы ограничений, и методе удовлетворения ограничений, что позволяет распределить работы ТО по отдельным процедурам, определить максимальную трудоемкость процедуры ТО и общую стоимость ТО.

5. Разработана программная архитектура системы планирования ТО, опирающаяся на подходы программирования в ограничениях. Архитектура предложенного решения поддерживает большинство промышленных платформ, а также позволяет осуществлять интеграцию с прочими корпоративными информационными системами.

6. Предложенные в работе программные инструменты позволили гибко реагировать на изменение программы ТО путем быстрого пересчета планов ТО по несколько раз в сутки, что обеспечило повышение эффективности и сокращение трудоемкости на 7,5%.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Федотова A.B. Управление процессами технического облуживания оборудования авиационной техники на основе метода программирования в ограничениях // Программные продукты и системы. - 2013. - №4. — С. 265-273.

2. Федотова A.B., Овсянников М.В., Таратухин В.В., Применение метода программирования в ограничениях при решении задач планирования технического обслуживания и ремонта воздушных судов // Бизнес-информатика. - 2013. - №1(23). - С. 28-36.

3. Федотова A.B., Ветров А.Н., Тарасов В.Б. Грануляция информации при моделировании жизненного цикла сложных технических систем // Науковедение. Интернет-журнал-2013. -№5 (18) [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/53tvn513.pdf.

Другие работы, опубликованные по теме диссертации:

4. Федотова А.В. Интеллектуальная система автоматизации реинжиниринга бизнес-процессов. Совершенствование методов имитационного моделирования для решения задач реинжиниринга бизнес-процессов. Интеллектуальные системы и технологии: современное состояние и перспективы // Сборник научных трудов Международной летней школы-семинара по искусственному интеллекту для студентов, аспирантов и молодых ученых (Тверь -Протасово, 1-6 июля 2011 г.) - Тверь: Изд-во Тверского государственного технического университета, 2011. - С. 96-101.

5. Федотова А.В., Овсянников М.В. Исследование методов планирования периодических процессов обслуживания (на примере TOPO)// Реинжиниринг бизнес-процессов на основе современных информационных технологий. Системы управления знаниями. Сборник научных трудов XV-й научно-практической конференции (РБП-СУЗ-2012, Москва, МЭСИ, 26-27 апреля 2012 г.). - М.: МЭСИ, 2012. - С. 238-245.

6. Куприянов Ю.В., Овсянников М.В., Таратухин В.В., Федотова А.В. Исследование методов планирования периодических процессов обслуживания/ЛГруды международного конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям (IS-IT'12, Дивноморское, Россия, 2-9 сентября 2012 г.). Научное издание в 4-х томах. - М.: Физматлит, 2012. - Т.2. - С. 287-294.

7. Федотова А.В. Интеллектуальная система планирования технического обслуживания и ремонта оборудования в управлении жизненным циклом продукции высокого значения // Интеллектуальные системы и технологии: современное состояние и перспективы Сборник научных трудов 2-й Международной летней школы-семинара по искусственному интеллекту для студентов, аспирантов и молодых ученых (Тверь - Протасово, 1-5 июля 2013 г.) - Тверь: Изд-во Тверского государственного технического университета, 2013. —С. 153-161.

8. Федотова А.В., Овсянников М.В., Таратухин В.В. К вопросу планирования технического обслуживания сложных систем // Труды международного конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям (IS-IT'13, Дивноморское, Россия, 2-9 сентября 2013 г.). Научное издание в 4-х томах. - М. : Физматлит, 2013. - Т. 1. - С.296-303.

9. Fedotova A., Taratoukhine V., Kupriyanov Y. Maintenance Support throughout the Life-Cycle of High Value Manufacturing Products. Interoperability Issues // Enterprise Interoperability. Research and Applications in the Service-Oriented Ecosystem/ Ed. by M.Zelm, M.Van Sinderen, L.F.Pires, G.Doumeingts. -London: ACTE-Wiley, 2013. - P. 69-79.

10. Fedotova A., Taratoukhine V., Ovsyannikov M. Advanced Periodic Maintenance Scheduling Methods for Aircraft Lifecycle Management II Proceedings of the 11th International Conference on Manufacturing Research (ICMR-2013, Cranfield University, UK, September 19-20, 2013). - Cranfield: Cranfield University Press. - P. 139-144.

11. Fedotova A., Taratoukhine V., Ovsyannikov M., Becker J. Implementation of Methods of Constraints Satisfaction Problems for Solving the Scheduling Periodic Maintenance Processes // Proceedings of the 7th IF AC Conference on Manufacturing Modelling, Management, and Control, 2013. (SPb, Saint Petersburg State University and Saint Petersburg ITMO University, June 19-21, 2013). - SPb.: IF AC Proceedings Volumes, 2013. - P. 341-346.

12. Stogniy I., Taratoukhine V., Kabitzsch K., Fedotova A. Investigation of Optimal Resource Allocation by Heuristic Combination Rules// Proceedings of the 7th IFAC Conference on Manufacturing Modelling, Management, and Control, 2013. (SPb, Saint Petersburg State University and Saint Petersburg ITMO University, June 19-21, 2013). - SPb.: IFAC Proceedings Volumes, 2013. -P.331-334.

13. Fedotova A., Tarasov V. Development and Interpretation of Spiral Lifecycle's Model: a Granular Computing Approach. Part 1. Lifecycle Granulation and Spiral Representation // Proceedings of ICSCCW-2013 Seventh International Conference on Soft Computing, Computing with words and Perceptions in System Analysis, Decision and Control. (Izmir, Turkey, September 2-3, 2013). — P. 431-440.

Подписано к печати 13.11.13. Заказ № 739 Объем 1,25 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5,стр. 1 (499) 263-62-01

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Тверской государственный технический университет

04201 450469 Ш ПраВаХ РуК0ПИСИ

ФЕДОТОВА АЛЕНА ВАЛЕРИЕВНА

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ НА АВИАРЕМОНТНОМ ПРЕДПРИЯТИИ

Специальность

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (в промышленности) 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, профессор Ветров А.Н.

Научный консультант -кандидат технических наук, доцент Овсянников М.В.

Москва - Тверь - 2013

Содержание

Список сокращений.......................................................................5

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................6

Глава 1. АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА СЛОЖНОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КАК ОСНОВЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ЕЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ.......15

1.1 Эволюция систем управления техническим обслуживанием и ремонтами....................................................................................15

1.2 Понятие жизненного цикла сложной технической системы................21

1.3 Моделирование и инженерия ЖЦ СТС..........................................23

1.4 Гранулы, грануляция информации и гранулярное представление жизненного цикла..........................................................................25

1.5 Обзор существующих моделей жизненного цикла технических систем.. 29

1.6 Спиральные представления жизненного цикла: формальные модели и содержательный анализ..................................................................33

1.7 Проектирование для технического обслуживания...........................38

1.8 Организация технического обслуживания и ремонта на авиаремонтном предприятии.................................................................................42

1.9 Выводы по главе 1....................................................................45

Глава 2. ОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ............................................47

2.1 Управление знаниями в сфере эксплуатации сложной технической системы.......................................................................................47

2.2 Онтологии: основные определения и формальное представление.........50

2.3 Компоненты онтологий..............................................................55

2.4 Анализ примеров онтологий верхнего уровня.................................59

2.4.1 Онтология DOLCE..................................................................59

2.4.2 Онтология SUMO....................................................................61

2.4.3 Онтология PROTON................................................................63

2.4.4 Онтология Джона Совы............................................................64

2.5 Определение основных понятий и атрибутов предметной области «Техническое обслуживание СТС» (на примере авиационной техники).....65

2

2.6. Стратегии технического обслуживания и ремонта сложных

технических систем (на авиаремонтном предприятии)............................73

2.7 Построение онтологии предметной области обслуживания

авиационной техники......................................................................75

2.8. Онтология задач технического обслуживания.................................78

2.9 Выводы по главе 2.....................................................................80

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМА ПЛАНИРОВАНИЯ РАБОТ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ............81

3.1 Управление и планирование технического обслуживания на авиаремонтном предприятии: основные определения и классификации......81

3.2 Современные подходы к планированию технического обслуживания авиационной техники: развитие методологии MSG-3..............................86

3.3 Методика планирования ТО центра «Прикладная логистика»..............92

3.3.1 Методика логического анализа при формировании плана ТО............92

3.3.2 Методика выбора периодичности работ по ТО...............................94

3.3.3 Группировка выбранных работ в плановые виды ТО.......................96

3.3.4 Проблемы и недостатки существующих методов............................97

3.4 Методы организации работ по техническому обслуживанию на авиаремонтном предприятии............................................................97

3.5 Общая постановка задачи планирования технического обслуживания. 101

3.6 Задача распределения работ по процедурам ТО..............................104

3.7 Задача планирования ТО на авиаремонтном предприятии: подходы математического программирования.................................................112

3.8 Задача и метод CSP..................................................................113

3.9 Методы поиска решений..........................................................115

3.10 Программирование в ограничениях...........................................118

3.11 Алгоритм решения задачи распределения работ по процедурам ТО.. 120

3.12 Пример формирования процедуры технического обслуживания

(для самолета Ту-214).....................................................................122

3.13 Планирование и диспетчирование работы подразделения ТО на авиаремонтном предприятии..........................................................129

3

3.13.1 Алгоритмы работы подсистемы объемного и календарного планирования..............................................................................129

3.13.2 Построение календарных планов-графиков и диспетчирование работы подразделений...................................................................130

3.14 Методика планирования и диспетчирования работ........................134

3.15 Разработка структуры подсистемы планирования в составе АСУТП

технического обслуживания на авиаремонтном предприятии..................135

3.16 Выводы по главе 3...................................................................136

Глава 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИ В РАМКАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПЛАНИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ.....................................................................138

4.1 Требования к реализации предлагаемой методики............................138

4.2 Архитектура разработанной программной системы, реализующей методику поиска решений..............................................................138

4.3 Основные функции системы конфигурирования процедур................140

4.4 Схема и описание основных алгоритмов программной системы.........143

4.5 Интерфейс программной системы................................................146

4.6 Решение задачи.......................................................................148

4.6.1 Список компонентов задачи.....................................................148

4.6.2 Функциональная конфигурация................................................149

4.6.3 Описание программной реализации решения задачи......................151

4.7 Выводы по главе 4...................................................................154

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.....................................155

Библиографический список.........................................................156

Приложение А............................................................................169

Понятия, относящиеся к техническому обслуживанию..........................169

Самолет Туполев Ту-214................................................................171

Приложение Б............................................................................173

Языки и редакторы описания онтологий............................................173

Средства для создания онтологий....................................................180

Список сокращений

АСУ - автоматизированная система управления;

АСУТП - автоматизированная система управления технологическими процессами;

АТБ - авиационно-техническая база;

БД - база данных;

ЖЦ - жизненный цикл;

КВР - контрольно-восстановительные работы;

КО - комбинаторная оптимизация;

КПГ - календарный план-график;

МП - математическое программирование;

OK - объект конфигурации;

П - проектирование;

ПзК - позиция конфигурации;

Пр - производство;

ПО - программное обеспечение;

ПФК - позиция функциональной конфигурации;

Р - рекуперация;

СКП - система конфигурирования процедур;

СТС - сложная техническая система;

ТЗ - техническое задание;

ТО - техническое обслуживание;

ТОиР - техническое обслуживание и ремонт;

ТПП - технологическая подготовка производства;

ФК - функциональная конфигурация;

ФС - функциональная система;

Э - эксплуатация;

BTR - Basic Temporal Relations (базовые временные отношения логики Аллена); CMMS - Computerized Maintenance Management System (компьютерная система управления техническим обслуживанием);

CRM - Customer Relationship Management (управление взаимоотношениями с заказчиками);

CSP- Constraint Satisfaction Problem (задача удовлетворения ограничений); DM - Design for Maintenance (проектирование для технического обслуживания); ЕАМ - Enterprise Assets Management (управление основными фондами); ERP - Enterprise Resource Planning (планирование и управление ресурсами предприятия);

KMS - Knowledge Management System (система управления знаниями); LE - Lifecycle Engineering (инженерия жизненного цикла);

MRPII-Manufacturing Resource Planning (планирование производственных ресурсов); ОМ - Ontology Modeling (моделирование онтологий);

PLM - Product Lifecycle Management (управление жизненным циклом продукта); PRM - Partner Relationship Management (управление взаимоотношениями с партнерами и подрядчиками);

SCM - Supply Chain Management (управление цепочками поставок).

Введение

Разработка методологии, научных основ и формализованных методов построения автоматизированных систем управления технологическими процессами технического обслуживания и ремонта (ТОиР) предполагает моделирование и управление жизненным циклом (ЖЦ) сложной технической системы (СТС), включающим стадии ее проектирования, производства и эксплуатации. При этом важнейшей стадией ЖЦ СТС является стадия эксплуатации, на которой созданная система используется по назначению, а также выполняются работы по поддержанию ее работоспособности. Главной задачей на этой стадии является обеспечение установленного периода эксплуатации СТС, решение которой непосредственно связано с этапами ТОиР. Для СТС величины стоимости обслуживания и ремонтов на протяжении ЖЦ в несколько раз превышают стоимость ее приобретения и запуска в эксплуатацию. Создание научных основ построения новых взаимосвязей между различными этапами ЖЦ СТС, в частности, между этапами проектирования СТС и ее технического обслуживания (например, в русле концепции «проектирования для технического обслуживания»), а также разработка методов и систем планирования и управления периодическими процессами технического обслуживания позволяют повысить эффективность, надежность и живучесть СТС.

Поскольку управление процессами ТОиР требует обработки больших

объемов разнообразной информации, его реализация возможна только в

автоматизированном режиме. Развитие автоматизированных системы

поддержки ТОиР связано с переходом от узкоспециализированных

компьютерных систем управления техническим обслуживанием CMMS

(Computerized Maintenance Management System) к интегрированным

системам комплексного управления основными фондами БАМ (Enterprise

Asset Management). Современные системы ЕАМ позволяют согласованно

управлять процессами ТОиР, материально-техническим снабжением,

складскими запасами и пр. Однако существующие ЕАМ-решения, например,

6

SAP БАМ или Oracle БАМ, являются весьма дорогостоящими, не поддерживают процессы управления знаниями о ТОиР, а также не позволяют заранее планировать периодические процедуры технического обслуживания (ТО).

Все вышеизложенное определяет актуальность темы диссертации, посвященной разработке методов и средств автоматизации ТО на авиаремонтном предприятии на основе онтологического подхода и алгоритмов планирования ТО.

Целью является повышение эффективности управления технологическими процессами технического обслуживания и ремонта СТС на основе разработки моделей, алгоритмов и программных средств автоматизированного планирования, используемых в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП) обслуживания и ремонта.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

1. Обзор концепций и моделей жизненного цикла сложной технической системы. Построение моделей ЖЦ СТС различного уровня детализации.

2. Определение взаимосвязей между этапами ТОиР и другими этапами ЖЦ СТС с использованием построенных моделей жизненного цикла.

3. Разработка методологии, научных основ и формализованных методов построения автоматизированных систем планирования и управления технологическими процессами технического обслуживания.

4. Построение системы онтологий ТО (на примере авиационной техники).

5. Анализ существующих подходов и систем планирования периодических процессов ТО для авиационной техники. Обзор типовых постановок задач планирования периодических процессов ТО. Математическая формулировка задачи построения и оптимизации периодических процессов ТО.

6. Анализ методов дискретной оптимизации применительно к решению задач ТО. Разработка метода планирования на основе решения задачи удовлетворения ограничений CSP (Constraint Satisfaction Problem). Разработка алгоритма эвристического поиска в пространстве состояний для решения задачи планирования.

7. Разработка общей архитектуры и модулей программной системы поддержки поиска решений.

8. Оценка эффективности использования разработанных методов для прикладной задачи планирования периодических процессов ТО. Объектом исследования являются процессы управления ТО на стадии

эксплуатации СТС, среди которых выделяются периодические процессы, рассматриваемые в плане уменьшения времени ТО и увеличения сроков эксплуатации СТС.

Предметом исследования составляют методы, модели и программные средства управления и планирования периодических процессов ТО.

Методологические и теоретические основы исследования. При выполнении диссертации использованы методы системного анализа и исследования операций, математического программирования и теории расписаний, теории графов и теории алгоритмов, теории грануляции информации и теории программирования в ограничениях.

Среди классических трудов в области исследования операций и теории планирования следует отметить основополагающие работы таких ученых как: Р.Акофф [4], Г.Вагнер [15], Е.С.Вентцель [18], М. Гэри и Д.Джонсон [32], А.Кофман [53], Дж.Моудер [45], Г.С.Поспелов [86], Т.Л.Саати [93,94], B.C. Танаев [107], В.В. Шкурба [107], С. Элмаграби [45].

Для анализа методов математического программирования и дискретной оптимизации были использованы работы JI.B. Канторовича и Дж.Данцига, В. Каруша, Г.Куна и А.Таккера, Л.С.Понтрягина и Н.Н.Моисеева [64], Ф.Гилла [27] и Э.Майника [61], Ю.И.Дегтярева [34] и Г.Ш.Рубинштейна [65].

Метод программирования в ограничениях изложен в публикациях К.Апта [133], Р.Бартака [135], Т.ван Бика [136], А. Макверса, У. Монтанари, A.C. Нариньяни [69], Э.Х. Тыугу [114], Т. Уолша.

Понятие и модели жизненного цикла сложной технической системы были рассмотрены Б. Боэмом [138], Ю.Р.Валькманом [16], Г.Б.Евгеневым [36], К.Д.Жуком, Л.А.Кашубой [50], В.Б.Тарасовым [161] и др. Анализ отношений между временными интервалами ЖЦ основан на работах Дж.Аллена [130], Д.А.Поспелова [47], А.П. Еремеева [39,40]. Вопросы инженерии ЖЦ и управления ЖЦ освещены в публикациях Л.Алтинга [131], М.В. Овсянникова [52], Дж.Старка [159], Е.В.Судова [106] и др. Развитие идей грануляции информации на различных этапах ЖЦ СТС опирается на труды Л.Заде [166], Т.Лина [154], В.Педрича [134], Ю.Яо [165], В.Б.Тарасова [109]. Проблемам обеспечения эксплуатационной надежности и безопасности СТС посвящены работы Б.В.Гнеденко, Б.В.Палюха [78], В.Н.Богатикова [10].

Ключевая роль процессов технического обслуживания и ремонта на стадии эксплуатации СТС показана Э.Жардином [41], М.Брамбахом и Дж.Клэйдом [140], H.H. Смирновым [101], а проблема планирования периодических процессов ТОиР описана в книге Ю.М.Чинючина и И.Ф.Поляковой [125], работах Г.Б.Бурдо [13], стандарте MSG-3. Ее решение на основе методологии MSG-3 получило освещение также в работах сотрудников НИЦ CALS-технологий «Прикладная логистика» А.И. Левина [58], А.В.Петрова [82], Е.В.Судова [44,106] и др.

При разработке онтологий ТОиР были использованы работы Т. Грубера [147], Н. Гуарино [148], Т.А. Гавриловой [23], A.C. Клещева [51], Р. Мизогучи [63], Г.С.Плесневича [83], A.B. Смирнова [75], C.B. Смирнова [102], Дж.Совы [157].

Научная новизна исследования состоит в следующем: 1. Разработаны варианты гранулярного представления ЖЦ СТС с различной степенью абстрактности, предложена модифицированная спиральная модель ЖЦ.

2. Построена система онтологий для задач управления технологическими процессами технического обслуживания (на примере технического обслуживания самолета Ту-214).

3. Предложена методика сквозного управления ТО, позволяющая минимизировать время проведения ТО объекта за счет распределения работ по процедурам.

4. Разработан алгоритм построения конфигураций процедур ТО, основанный на модели онтологии предметной области, и методе удовлетворения ограничений, что позволяет определить максимальную трудоемкость процедуры ТО и общую стоимость ТО.

Результаты работы получены в ходе выполнения проектов РФФИ

№ 11-07-00738, № 13-07-90701, а также госбюджетной НИР № 8.5488.2011.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что

предложенный подход к планированию ТОиР СТС позволяет уменьшить

стоимость и сократить сроки технического обслуживания. Данный подход

может быть применен не только на авиаремонтных предприятиях, но и на

предприятиях других отраслей. Прикладная значимость диссертации связана

также с разработкой подсистемы АСУТП ТО и интерфейсов для ее

интеграции в существующие АСУТП ТОиР.

Внедрение и реализация результатов. Результаты исследований,

проведенных в диссертационной работе, внедрены на отечественных

предприятиях ОАО «Туполев», Группа компаний «Волга-Днепр», а также

использованы в учебном п�