автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Системы управления базами данных для оптимизации технологических процессов

; 1,1 С] — 'Л / ' ' ,»'■>

Министерство общего и профессионального образования

Сибирская аэрокосмическая академия им. академика М.Ф.Решетнева

На правах рукописи

Давыденко Олег Валерьевич

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

05.13.07 — Автоматизация технологических процессов и производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: д.т.н., профессор Антамошкин А Н. д.т.н., доцент Ковалев И.В.

Красноярск 1999

Введение 4

Глава 1. Анализ и постановка проблемы. 7

1.1 Современное состояние проблемы автоматизации технологических процессов. 7

1.2 СУБД как основа современного информационно-лингвистического обеспечения АСУ ТП. 12

1.2.1. Информационное обеспечение АСУ ТП. 12

1.2.2. Лингвистическое обеспечение АСУ ТП. 17

1.3 Общие принципы построения СУБД для оптимизации АСУ ТП. 20 Результаты, полученные в главе 1. 23

Глава 2. Формализация задач. . 24

2.1 Формирование ТЦУ КА 24

2.1.1 Инженерное проектирование программного обеспечения 24

2.1.2 Комплексы программ управления как сложные системы 26

2.1.3 Жизненный цикл и этапы проектирования 29

2.1.4 Классическая модель жизненного цикла. 29

2.1.5 Каскадная модель жизненного цикла 31

2.1.6 Модульно-иерархическое построение ПО. 40

2.1.7 Анализ процессов формирования ПО управления КА. 44

2.1.8 Определение базового модуля мультиверсионной программной системы. 53

2.1.9 Формализация модели ТЦУ КА. 57 2.11 Формализация общей схемы анализа реализуемости ТЦУ. 64

2.2 Проведение взаимозачетов. 68

2.2.1. Проблема проведения взаимозачетов. 68

2.2.2. Формализация задачи проведения взаимозачетов. 69 Выводы по главе 2 82

Глава 3. Описание оптимизационных СУБД. 83

3.1. Построение алгоритма решения задачи погашения 83 3.1.1 .Постановка задачи и выбор модели 83

3.1.2.Разработка алгоритма 85

3.1.3.Правильность алгоритма ' 96

3.2. Обоснование выбора оптимизационных алгоритмов. 97

3.2.1. Подходы к решению оптимизационных задач 97

3.2.2. Методы оптимизации 101

3.2.3. Понятие полного построения алгоритма 108

3.3 СУБД для построения оптимального по времени ТЦУ КА. 115

3.3.1. Опр еделение структуры БД. 115

3.3.2. Методы работы с базой, используемые при решении задачи. 117

3.3.3. Реализация алгоритмов (базовые концепции). 118

3.4 СУБД для проведения взаимозачетов. 120 Выводы по главе 3 121

Глава 4. Практическая реализация оптимизационных СУБД. 122 4.1 Информационный обмен в технологических циклах

управления космическими аппаратами. 122 4.3 Практическая реализация СУБД для построения

оптимального по времени ТЦУ 130

4.5 Практическая реализация СУБД для проведения взаимозачетов. 132 Выводы по главе 4 132

Заключение

Литература

Приложения

133

134 140

Введение

Сегодня автоматизация технологических процессов требует использования больших объемов числовых данных. Эффективность работы оптимизационных алгоритмов, используемых при автоматизации, напрямую зависит от возможностей оперирования данными. Таким образом, возникает проблема организации хранения информации. В последнее время, особенно за рубежом, научной общественностью широко обсуждается идея оптимизационных систем управления базами данных (СУБД). Из краткого обзора передовых решений в области автоматизации технологических процессов, приводимого в первой главе, становится видно, что одним из возможных выходов является построение систем основанных на применении реляционных баз данных а также технологий «клиент - сервер». Однако, имеющиеся наработки по созданию оптимизационных СУБД касаются, в основном, классов задач с непрерывными переменными.

Необходимость решения оптимизационных задач выбора вариантов на больших массивах данных при автоматизации современных технологических процессов определяет актуальность диссертационного исследования. В работе проводится рассмотрение задачи оптимизации технологического цикла управления (ТЦУ) космическими аппаратами (КА), и задачи проведения циклических взаимозачетов. Предложены и реализованы программно системы управления базами данных, решающие поставленные задачи. Для рассматриваемых в диссертации типов технологических процессов оптимизационные СУБД ранее не предлагались. Диссертационные исследования проводились в соответствии с темами Единого заказ-наряда САА на 1996-1998 годы.

Уверенность в успешном научно-техническом решении сформулированной проблемы базируется на корректном применении аппарата современной математики и теории баз данных. Рекомендации и выводы подтверждаются результатами решения конкретных задач.

Целью работы является разработка оптимизационных СУБД для автоматизации технологических процессов формирования технологии управления КА и технологии проведения клиринговых расчетов. Поставленная цель определила следующие основные задачи исследований:

- формализация моделей проведения взаимозачетов и формирования оптимального по времени состава ТЦУ КА;

- построение алгоритмов решения задач проведения взаимозачетов и формирования оптимального по времени состава ТЦУ КА на основе известных оптимизационных методов;

- разработка методики построения оптимизационных СУБД для автоматизации технологических процессов;

- программная реализация и внедрение в практику инженерного проектирования ПО СУБД проведения взаимозачетов и формирования оптимального по времени состава ТЦУ КА;

Методы исследования. Системный анализ и методы математической оптимизации Теория множеств, комбинаторика и теория графов. Теория баз данных.

Научная новизна работы Впервые предложены и обоснованы оптимизационные СУБД для автоматизации рассматриваемых типов технологических процессов.

Известная ранее формальная модель поиска замкнутых циклов на графе модифицирована для целей автоматизации проведения взаимозачетов.

Алгоритмы решения рассматриваемых классов оптимизационных задач, реализующие идеи метода случайного поиска с адаптацией, построены впервые.

Практическая значимость диссертации и использование полученных результатов. Методики формирования ТЦУ и проведения взаимозачетов, а также упрощенные программные пакеты, их реализующие, используются в курсах "Проектирование сложных систем", "Управление сложными системами", "Системотехника" Сибирской аэрокосмической академии и в курсе "Автоматизация управления техническими системами" Красноярского государственного технического университета. Оптимизационная СУБД проведения взаимозачетов применима в организационных системах любого уровня (в частности, она использовалась для проведения взаимозачетов в энергетических системах - Красноярскэнерго, РАО ЕЭС России, в краевой расчетной палате). Оптимизационная СУБД автоматизированного формирования ТЦУ, по-видимому, применима только для аэрокосмической отрасли. Предложенные подходы к проектированию оптимизационных СУБД будут полезны при проведении автоматизации любых технологических процессов.

Основные тезисы, выносимые на защиту.

1. На базе теории графов реализована ориентированная на использование баз данных формальная модель, позволяющая проводить построение и коррекцию оптимального по времени ТЦУ КА.

2. На базе теории графов реализована ориентированная на использование баз данных формальная модель, проведения взаимозачетов, позволяющая

проводить взаимозачеты в системе предприятий с максимальным значением погашения.

3. На основе теории баз данных и современных тенденций развития АСУ ТП, реализована СУБД построения оптимального по времени ТЦУ КА.

4. На основе теории баз данных и современных тенденций развития АСУ ТП, реализована СУБД проведения взаимозачетов.

5. На основе теории баз данных и современных тенденций развития АСУ ТП, разработаны алгоритмы построения оптимизационных СУБД.

Апробация работы. Материалы работы были представлены к докладу на международном симпозиуме SOR'96. в Брауншвейге (4-6 сентября 1996), на симпозиуме по исследованию операций в Иене 1997г., на научно-технической конференции «Решетневские чтения», Красноярск 1998г., на семинарах кафедры СА и ИО CAA.

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять работ [26]-

[36].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 110 наименований и приложений.

В первой главе рассматривается проблема автоматизации технологических процессов и на основе обзора публикаций о последних разработках в этой области дается характеристика состояния вопроса. Проводится анализ СУБД как основы информационно-лингвистического обеспечения АСУ ТП. На основе проведенного анализа определяются общие принципы построения СУБД для АСУ ТП.

Во второй главе диссертации проводится анализ и формализация задач формирования ТЦУ КА и проведения взаимозачетов.

Содержание третьей главы составляет описание оптимизационных СУБД. Проводится выбор оптимизационных методов, построение алгоритмов решения задач и обоснование правильности построенных алгоритмов. Также на модульном уровне рассмотрены архитектуры СУБД использующих построенные алгоритмы.

В четвертой главе рассматриваются практическая реализация СУБД для построения оптимального по времени ТЦУ. Также приводятся основные моменты специфики информационного обмена при работе спутниковых систем. Приводится реализация СУБД для проведения взаимозачетов между предприятиями.

Глава 1. Анализ проблемы автоматизации технологических

процессов.

1.1 Современное состояние проблемы автоматизации технологических процессов.

Современное состояние проблемы автоматизации технологических процессов характеризуется последними разработками в этой области. Ниже приводится рассмотрение публикаций, в которых описаны новейшие разработки в этой области. Объекты автоматизации, представляют собой сложные системы, для описания которых приходится иметь дело с большими объемами числовых данных.

В [1] рассмотрен комплекс средств автоматизации технологической подготовки производства. Поскольку система автоматизация технологической подготовки проговодства представляет важнейшую предпосылку ускорения выпуска новых видов изделий, то современных системах автоматизированного технологического проектирования для машиностроительных предприятий с мелкосерийным и серийным производством предъявляются повышенные требования к универсальности, комплексности, интегрируемости, относительной простоте в адаптации и эксплуатации и т.п. Современные системы в полной мере этим требованиям не отвечают из-за стремления разработчиков к максимальному уровню автоматизации процесса проектирования технологии, что не может быть достигнуто для всего многообразия технологической подготовки производства [106].

Решение этой проблемы возможно только при сочетании организации диалоговых режимов проектирования и автоматизированных процедур выполнения функциональных задач [105]. В HI 111 «РШТЕРМЕХ» разработан комплекс средств автоматизации технологической подготовки производства TECHCARD, в состав которого входят следующие средства организации рабочего места технолога: - система автоматизированного проектирования технологических процессов (ТП) обработки деталей машино- и приборостроения; - система автоматизированного проектирования машиностроительных чертежей для построения и оформления операционных эскизов или любых графических изображений, выводимых в технологический документ CADMECH-T; - система организации и ведения архива конструкторской и технологической документации SEARCH-T; - база данных технологического назначения, содержащая информацию о паспортных данных и размещении оборудования, средствах технологического оснащения (различные приспособления, режущий, вспомогательный и измерительный инструмент), применяемых материалах и видах заготовок, технологических

операциях и типовых переходах, справочных данных для заполнения параметров операционной технологии

В систему технологического проектирования входят три основные программы: - редактор бланков, обеспечивающий создание и редактирование произвольных форм технологических документов в соответствии с ЕСТД или со стандартами предприятий; - ПРОЕКТ-ТП, предназначенный для проектирования технологических процессов в различных видах производства; -редактор документов для генерации, просмотра и редактирования выходных документов, связанных с технологическим процессом. TECHCARD обеспечивает следующие основные задачи: - создание любых новых и редактирование имеющихся в базе данных форм бланков технологической документации; - оперативную настройку вида и состава комплекта технологических документов на различные типы производства; проектирование структуры технологического процесса обработки детали в различных режимах (на основе ТП-аналога, с использованием библиотек типовых операций и переходов, с применением типовых ТП из базы данных); -формирование и принятие автоматизированных проектных решений на различных этапах проектирования ТП, в том числе использование в качестве исходных данных информации непосредственно из чертежа детали; -автоматизированное построение и редактирование операционных эскизов с обеспечением передачи параметров технологического процесса в графическую систему и получением в составе одного бланка (операционной карты) текста и графического изображения; - просмотр и редактирование документов, управление оформлением и выводом документов на печать; - создание и сопровождение базы данных технологического назначения с возможностью графической иллюстрации классификаторов, справочников и т.п.; - обеспечение взаимосвязи с системой ведения архива конструкторской документации SEARCH для организации и ведения архива технологических документов и с системой разработки конструкторской документации CADMECH.

Проектирование единичных технологических процессов осуществляется в диалоговом режиме с использованием мощной базы данных и базы знаний со средствами гибкого представления модели предметной области. Пользователь может применять типовые технологические процессы, организованные в виде иерархической библиотеки

В дальнейшем предполагается разработка специального языка описания технологических алгоритмов для формализованного представления экспертных знаний в виде комплексных типовых технологических процессов, ориентированных на различные группы деталей. В этом случае предусматривается анализ сведений о детали и автоматическое формирование оригинального маршрута обработки конкретной детали.

При создании комплекса учитывался ряд основных требований: -системное единство: на всех стадиях функционирования и развития целостность комплекса обеспечивается унифицированными связями между его модулями и подсистемами; - комплекс — развивающаяся система, то есть обеспечение наращивания функций и совершенствование ее компонентов; -инвариантность программного обеспечения комплекса, то есть его автономность по отношению к конкретным особенностям производства; -возможность автономного функционирования отдельных компонентов и подсистем; - простота в освоении и эксплуатации для инженеров-технологов, не являющихся специалистами в области программирования; - реализация просмотра и редактирования комплекта документации в виде, максимально приближенном к напечатанным выходным документам.

Пользователи на основе единого программно-методического комплекса могут разрабатывать и редактировать различные технологические документы, формировать на базе архива технологических процессов и состава изделий любые сводные документы по материальному и трудовому обеспечению производства. Систему можно использовать в технологических подразделениях и технических отделах как крупных предприятий, так и небольших производственных организаций, применяющих

автоматизированные рабочие места технологов на базе автономных персональных компьютеров и локальных сетей

Сейчас ведутся работы по расширению технических возможностей комплекса в следующих направлениях: - проектирование технологических процессов механической обработки деталей с обеспечением автоматизированного выбора оснастки, расчета режимов резания и нормирования; - разработка и подключение различных задач автоматизации технологической подготовки производства и интеграция комплекса TECHCARD с задачами АСУ предприятия. Применение TECHCAJRD позволит расширить область использования средств автоматизации технологического проектирования и сделать важнейший шаг к компьютеризации производства

[Ц.

В [2] рассказывается о подписании соглашения между "Аргуссофт Компани" и Aspen Technology Inc. 25 июня 1997 года подписано соглашение между «Аргуссофт Компани» и Aspen Technology Inc. по которому Аргуссофт становится полноправным и единс�