автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка средств информационной поддержки проектирования технологических процессов

7 VI 9 2

«а* р

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ГО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

На правах рукописи

ЛИХАЧЕВА Марина Маратовна

УД 581..3.06

РАЗРАБОТКА СРЕЩСТВ ИНФОРМАЦИИ " ЧДДЕРЖИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТИПОЛОГИЧЕСКИХ 1и '[ЕССОВ

Специальность 05.13. II "Математичес. . и программное обеспечение вычислительных ,. шин, комплексов, систем и сетей"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук ;

Москва Издательство МАИ 1992

Работа выполнена в Московском Октябрьской революции авиационном Орджоникидзе.

ордена Ленина и ордена институте имени Серго

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, с.н.с. Ю.А.Шебеко

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Сокольский А.Г. кандидат технических наук, с.н.с. Никитина Н.К.

Ведущая организация: Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е.Жуковского

на заседании специализщюванного Совета К 053.18.09 в

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ. Адрес института: I2587I, Москва, А-80, Волоколамское шоссе, 4.

Защита состоится

.часов

Московском авиационном институте им. С. Орджоникидзе.

Автореферат разослан

Ученый секретарь Совета кавдвдат физико-математических наук, доцент

М.В.Ротанина

. I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

- . !

■'лигАктуальнбсть работы. Проектирование технологических процессов соврейеннбС^ машино- и приборостроения базируется на интегрированном представлении данных и связано с поиском ■ технологической информации справочного и производственного характера, решением вычислительных задач, формированием технологических документов и т.д. В настоящее время разработаны и успешно эксплуатируются средства автоматизации решения отдельных информационно-поисковых и расчетных задач применительно к специфике конкретных предприятий. Однако пока не разработано единой методологии или обоснованного подхода к созданию автоматизированных средств информационной поддержки проектирования технологических процессов (ТП). Это связано преаде всего с чрезвычайным разнообразием и концептуальной сложностью предметной области (ПО), а также с необходимостью гибкой настройки программного обеспечения на текущие производственные условия.

Разработка средств информационной поддержки проектирования ТП сводится к следующим этапам:

- выбор адекватного аппарата моделирования ПО;

- концептуальное моделирование ПО решения технологических задач:

- выбор информационной технологии реализации концептуальной модели (КМ):

- реализация КМ в виде специализированной интерактивной системы с развитым сервисным обеспечением.

Цели и задачи. Целью диссертационной работы является разработка методологии проектирования многофункциональных интегрированных средств информационной поддержки решения технологических задач и реализация соответствующего программного обеспечения на примере технологической подготовки производства аэродинамических моделей.

Были поставлены и решены следующие задачи:

- разработана концептуальная модель ПО проектирования ТП на основе аксиоматических теорий в аппарате графового представления родов структур (модель ГП РС ПО):

- разработана концептуальная модель ПО отображения моделей ГП РС на логический уровень реляционной СУБД (модель метаданных):

- разработана логическая модель БД системы информационной поддержки с помощью модели метаданных;

- разработаны и реализованы специализированные диалоговые средства взаимодействия с пользователями различных категорий.

Научную новизну работы составили:

- использование методологии концептуального анализа и синтеза с применением аксиоматических теорий в рассматриваемой ПО:

- разработка моделей данных и метаданных, обеспечивающих адекватную информационную поддержку решения технологических задач и накопления банка типовых технологических решений:

- обеспечение инвариантности разработанных моделей по отношению к производственным условиям конкретного предприятия.

Практическая ценность. На основе проведенных исследований была разработана система информационной подцержки решения технологических задач - интерактивная система "ТЕРЕЗА".

Система реализована в операционной среде НОС ВП на ЭВМ типа СМ-1700, ее отдельные компоненты адаптированы на персональной ' ЭВМ в среде МБ ООБ.

Результаты выполненных исследований нашли примененение в таких задачах, как поиск изделия-аналога, разработка маршрутно-операционной технологии механической обработки деталей 'аэродинамических моделей, выбор режущего инструмента и т.д.

Решение реальных технологических задач с помощью системы "ТЕРЕЗА" подтвердило ее работоспособность, удобство настройки на конкретные производственные условия цредориятия заказчика, а также целесообразность выбранного подхода к моделированию ПО. Предложенная методология проектирования средств информационной поддержки использовалась при разработке отраслевого стандарта СII .

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Интегрированные системы автоматизированного проектирования" (Вологда,1989), конференции "Освоение и концептуальное проектирование интеллектуальных систем (Москва,1990), Международной конференции "Интеграция системы целевой подготовки специалистов и автоматизированных технических систем различного назначения (Алушта,1990),

конференции "Интеллектуальные системы и моделирование" (Новосибирск. 1991).

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы, содержащего 35 наименований, и 4-х приложений. Машинописных страниц - 178, рисунков 19, таблиц - 20, объем приложений - 44 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, формулируются цели, задачи и научная новизна проведенных исследований.

Первая глава посвящена выявлению основных требований к информационному обеспечению процесса автоматизированного решения задач технологического проектирования.

Приводится краткий обзор существующих систем информационной поддераки проектирования ТП и технологических банков данных, выявляются наиболее характерные ввды информационных услуг.

Для моделирования предметной области рассмотрены такие концептуальные модели данных, как "сущность - связь", бинарные модели, семантические сети и модели, основанные на применении аксиоматических теорий в аппарате графового представления родов структур (модели ГП РС) [ А1 . Исследование моделей данных показало, что применительно к рассматриваемой ПО целесообразно использовать модель ГП РС, которая позволяет:

- адекватно выражать связи и отношения мевду объектами ПО без ограничения степени их сложности:

- поэтапно конструировать модели фрагментов ПО при сохранении обозримости ПО в целом:

- достаточно просто модифицировать модель без потери ее семантической целостности;

- контролировать адекватность модели в процессе ее разработки.

Далее приводится краткое описание аппарата ГП РС. Для построения модели ГП РС необходимо выделить базисные множества II ,12.....предметной области и построить над ними родовые

структуры 01,02,...,0к, отражающие отношения ПО, с помощью двух операций:

" В " - множество подмножеств некоторого множества (булеан) и " х " - декартово произведение любого числа множеств. Ориентированный граф, вершинам которого сопоставляются, кроме базисных, все промежуточные множества, используемые для построения РС, удобен для представления возможных запросов к данным предметной области (термов модели ГП РС). Аксиомы РС служат для контроля целостности информации.

Например, РС "Производственные заказы" имеет следующий вид: 01 « В(Х1 х 12 х 12 х 13 х 13 х Х4 х В(Х9) х В(Х5 х Х6 х х С1 х В(Х9) х В(Х5 х Х6 х С1 х В(Х9) х X В(С1 х Х7 х В(С1 х Х8 х С1))))) Здесь XI - множество шифров заказов; 12 - множество дат: ХЗ - множество организаций: Х4 - множество признаков завершенности заказов: Х5 - множество шифров чертежей изделий и деталей: Х6 - множество наименований изделий и деталей: Х7 - множество видов деталей на чертеже: Х8 - множество наименований технологических элементов формы деталей:

Х9 - множество решенных технологических задач, С1 - множество целых чисел (одно из стандартных вспомогательных базисных множеств).

РС "Производственные заказы" подчиняется аксиомам древоввдной структуры:

Ах1: V с^.У <¡2 е 01 С(ргв(с11) = рг8(е12)) ■» ■» (рг1(а1) = рг1Сй2))) - единственность корневой вершины; Ах2: у « (рг1(рг8(с11)) п рг1(рг5(ргв(<11))) . 0 ) - отсутствие циклов и петель.

Среди термов рассматриваемой РС можно отметить следующие: Т1?1= [ х « XI | (з у с хг | у < текущей даты) ь

(в = 6 Х2 I 2 > текущей даты) г, С(«,у,= ) е р^ 2 )) ^ - множество шифров выполняемых в настоящее время заказов:

Рис. I. Декомпозиция родовой структуры на реляционно-пригодные части

ГД8 К1,К]^0

Таблица

X;

X

и

"сын"

Таблица

Таблица

№

10« X). • • •

1 2

Рис. 2. Граф концептуальной модели предметной области

3>I6

Рис.3, функциональная схема системы "ТЕРЕЗА"

□-

потоки информации

логические связи

Статистические сводки

Протоколы расчетов.

ТЯ2 = { (х.Е) «Их В(Х5 х 16 х С1 х В(Х9) х В(Х5 х х Х6 х С1 х ВСХ9) х В(С1 х Х7 х ВСС1 х Х8 х СП))) I (X е рг^юи) ?-. (Е = £ У е В(Х5 х Х6 х С1 х В(Х9) х х В(Х5 х Х6 х С1 х В(Х9) х В(С1 х Х7 х ВСС1 х Х8 х С1)))) I (У = ргя(т)) !< ((х.у) «= РГ1 а(1>1))])]

- множество изделий, относящихся к заказу с указанным шифром;

Т1?3 = \ х ® XI I з у е Х4 1(у = "завершен") ?<

?< ((Х,У) е рг± ¿(01))}

- множество завершенных заказов;

ТР4 = {х е Х5 I (X е рг1(рг5(рга(01)))) Ь (УйеВ1,

V р е рга(с1), УЧ, Уг 6 рг^р) '((рг5(Ч) = рга(г)) ♦ (Р = г)))$

- множество уникальных деталей;

Т1?5 = {(х.Е) е Х5 х В(Х9) I (х е рг1(рг5(ргв(01)))) ъ ?<(Е = { У е Х9 I (Х.у) е рг1 4(рг5(рГд(С1))) ] ) ]

- множество задач, решенных для детали с указанным шифром и т.д.

В заключение первой главы рассматриваются основные подходы к реализации систем информационной поддержки и показывается, что применительно к рассматриваемой предметной области целесообразно использовать подход, основанный на информационной технологии СУБД.

Во второй главе рассматриваются вопросы применения аппарата ГП РС к разработке концептуальной модели ПО на примере проектирования ТП изготбвления аэродинамических моделей летательных аппаратов.

Приводится неформальное, (вербальное) описание ПО и выявляются следующие ее особенности:

- концептуальная сложность (большое число технологических и других факторов, сложность связей мевду ними и наличие пользователей различных категорий);

- необходимость настройки на текущие производственные условия конкретного предприятия ( парк оборудования, различие технологий, диапазоны изменения количественных величин, наличие заготовок, номенклатура изделий, состав и формы технологических документов:

- необходимость использования накопленного технологического опыта:

- необходимость обеспечить надежность хранения и обработки

данных (защиту от сбоев, контроль целостности и непротиворечивости данных):

- дружественность интерфейса между пользователем и данными.

В целях обеспечения использования накопленного технологического опыта исследуется общая структура систем классификации и кодирования деталей, обобщение которой применяется при разработке структуры технологической задачи.

Затем проводится формализация ПО с выделением базисных множеств и родовых структур модели ГП РС.

В качестве базисных множеств модели ГП РС ПО выбраны: "Наименования задач проектирования Т1Г, "Наименования изделий и деталей", "Единицы измерения количественных величин", "Имена программных модулей решения технологических задач' и т.д. Над этими БМ построены РС "Задачи проектирования Т1Г, "Параметры и результаты задач", "Типовые решения задач", "Заказы", "Качественные величины", "Количественные величины",

"Иерархические структуры", "Документы" и т.д. Постулированы аксиомы РС как средство контроля целостности данных: определены термы - возможные запросы пользователей к БД. Проведен синтез отдельных РС в общую модель ГП РС ПО.

В третьей главе рассматриваются вопроса логического представления моделей ГП РС в реляционной СУБД. С этой целью разработана модель метаданных, в рамках которой РС представлена в виде иерархически взаимосвязанных реляционно-пригодных проекций (рис. I).

В качестве базисных множеств этой модели выбраны: "Идентификаторы таблиц и полей таблиц БД", "Наименования родовых структур", "Наименования базисных множеств", "Типы значений полей таблиц БД". "Типы областей хранения таблиц" и т.д. Над этими БМ построены РС "Базисные множества", "Родовые структуры в реляционном представлений' и "Плоские проекции РС (таблицы) в реляционном представлении". Постулированы аксиомы РС, определены термы, проведен синтез моделей метаданных и ГП РС ПО в единую концептуальную модель, граф которой представлен на рис.2.

Далее рассматриваются вопросы использования модели метаданных в качестве словаря-справочника по отношению к модели ГП РС ПО.

В четвертой главе приводится списание интерактивной системы информационной поддержки решения технологических задач "ТЕРЕЗА", разработанной с использованием модели ГП PC ПО и модели метаданных.

Функциональная схема системы "ТЕРЕЗА" представлена на рис.3. При организации данных в системе реализована возможность хранения больших объемов информации в рамках используемой СУБД. Предусмотрены протоколирование деятельности пользователей за экраном и возможность заново выполнять действия, приведшие к неудовлетворительным или неоптимальным результатам, без нарушения целостности данных.

Система функционирует под общим управлением монитора, при разработке которого учитывалось разграничение прав доступа к данным, осуществляемое посредством установления категорий и системы паролей пользователей [ 3] . Определены категории технолога; руководителя и системного аналитика. Реализован интерактивный режим работы через язык общения в форме lighting-bar меню.. Сервисное обеспечение системы информационной поддержки предоставляет пользователю необходимую информацию по ведению диалога, выбору альтернативных вариантов и выполнению возможных действий.

Далее специфицированы функции различных категорий' пользователей системы [ В] , реализованные в ввде ее программных модулей.

В рамках системы пользователь-технолог может решать разнообразные технологические задачи, а также обращаться к технологическому калькулятору и соответствующим справочникам.

Система автоматически осуществляет согласование по данным решаемой и ранее решенных задач, производит ввод ее параметров и поиск типового технологического решения, визуализирует ее результаты при его наличии, а при отсутствии - помогает сформировать новый результат, который по желанию технолога может быть присоединен к типовым.

На этапе ввода параметров изделий или деталей пользователю предоставляется возможность просмотра соответствующих пояснений и графических эскизов. На этапе визуализации результатов предоставляется также возможность создания твердых копий

технологических документов.

Технологический калькулятор предназначен для выполнения часто встречающихся в практике рутинных расчетов по известным алгоритмам и формулам. С помощью калькулятора можно решать, например, следующие задачи:

- вычисление физических характеристик деталей (объема, массы, центра тяжести):

- вычисление времени обработки деталей на станках с ЧПУ:

- планово-экономические вычисления и т;д.

Калькулятор поддерживает форму общения в виде параметризованного меню. Работа с калькулятором сводится к выбору вычислительной задачи, заданию ее параметров, запуску расчетного модуля и выдаче результатов. Полученные в режиме калькулятора результаты могут представлять как самостоятельный интерес для пользователя, так и сохраняться в БД и использоваться в качестве параметров при решении более сложных технологических задач. В последнем случае автоматически проводится контроль введенных данных для поддержания целостности БД.

Пользователь-руководитель подразделения может контролировать выполнение производственных■ заказов и получать стандартные статистические сводки.

Пользователь-системный аналитик настраивает систему на производственные условия конкретного предприятия, вводит технологические задачи, формы технологических' документов и расчетные модули для технологического калькулятора, а также подключает необходимые сопровождающие пояснения и графические эскизы. Кроме того, интерфейс системного аналитика позволяет осуществлять текущий контроль содержимого таблиц БД.

Технологические справочники предназначены для всех категорий пользователей и после выбора темы справки обеспечивают доступ к технологической и , производственной информации системы с возможностью просмотра графических эскизов и сопровождающих пояснений [ 2] .

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и намечены перспективы расширения разработанной концептуальной модели и предметной области в целом, в том числе на другие этапы жизненного цикла изделий, а также на

различные экономические условия функционирования предприятий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен сравнительный анализ подходов к разработке информационного обеспечения процесса автоматизированного решения технологических задач и сформулирован ряд требований к системе информационной поддержки.

2. Проведен анализ предметной области и выбор адекватной модели данных (модели ГП РС).

3. Разработана концептуальная модель данных, обеспечивающая информационную поддержку проектирования ТП.

4. Разработана концептуальная модель метаданных, обеспечивающая отображение концептуальных моделей ГП РС на логический уровень реляционной СУБД.

5. Спроектирована и реализована интерактивная система информационной поддержки решения технологических задач, ориентированная на выполнение производственных заказов, в ввде рабочего прототипа в операционной среде МОС ВП. Отдельные фрагменты системы адаптированы в среде МБ ООЭ.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЩИЕ РАБОТЫ

1. ОСТ "Системы автоматизированного проектирования, программно-методические комплексы для проектирования, конструирования и технологической подготовки производства аэродинамических моделей. Основные положения. ОСТ I 02686-89.

2. Шебеко Ю.А., Лихачева М.М. Проектирование и разработка технологических справочников в рамках ГАП. В кн.: Интегрированные системы автоматизированного проектирования: Тез. докл. Всес. конф. - М.: 1989.

3. Лихачева М.М., Федоров И.В., Хахулин Д.Г., Шебеко Ю.А. Разработка концептуальной модели и реализация БД АСТПП.В кн.: Освоение и концептуальное проектирование интеллектуальных систем: Тез. докл. Всес. конф. Часть 2 - М.: 1990.

4. Лихачева М.М., Шебеко Ю.А. Система информационной поддержки автоматизированного проектирования технологических

процессов обработки деталей. В кн.: Интеграция систем целевой подготовки специалистов и автоматизированных технических систем различного назначения: Тез. докл. меадунар. конф. - М.: 1990.

5. Гротова О.Н., Лихачева М.М. Концептуальное моделирование процесса технологического проектирования изготовления деталей приборов в условиях ГАП. В сб.: Методы и средства обеспечения качества изделий в цриборо- и радиоаппаратостроении - М.: МАИ, 1991.

6. Лихачева М.М., Федоров И.В., Шебеко Ю.А. Концептуальная модель реляционного машинно-ориентированного представления родовых структур. В кн.: Интеллектуальные системы и моделирование: Тез. докл. Всес. конф. -Новосибирск: 1991.

ЛИТЕРАТУРА

А. Никаноров С.П., Кучкаров З.А., Никитина Н.К., Криков И.А., Комаров В.Г. Система автоматизированного проектирования концептуального уровня баз данных (МАКС) /ВНГИЦентр: n ГР 50860001030. -М., 1986.

Б. Хениндаер К. Описание требований к программному обеспечению для сложных систем: новые методы и их применение. В сб.: Требования и спецификации в разработке программ.-М.:Мир,1984

Техн. редактор Смирнова Е.А. Подписано к печати 9Л53.92

Бум. офсетная. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд.л. 1,00. Тираж 100. Зак. ¿160 / 5034 . Бесплатно Типография издательства МАИ 125871, Москва, Волоколамское шоссе, 4.