Разработка методов и средств формирования и моделирования представлений проектно-конструкторских задач на этапе предпроектного обследования организации при создании САПР машиностроительного назначения

В современных экономических условиях машиностроительным предприятиям необходимо постоянно совершенствовать выпускаемую продукцию с целью обеспечения ее конкурентоспособности. Это невозможно без проведения большого объема проектных работ при возрастающей сложности проектируемых объектов.

В настоящее время для разработки автоматизированных систем используется большое количество инструментальных средств, методов, технологий: от простых программ до сложных комплексов и САБЕ-средств. Исследование существующих методов и средств моделирования предметных задач показали, что они: ориентированы в основном на автоматизацию информационных и управленческих задач- -позволяют оценивать только строго иерархичные функциональные структуры действий- -требуют упорядоченное информационное описание всех выполненных действий сверху внизхарактеризуются итеративным процессом разработкиприменяются при автоматизации задач небольшой сложности- -трудностями в получении полной и достоверной информации от специалистов предметных областей.

Перечисленные особенности этих методов и средств обуславливают проблемы и трудности их использования для проектно-конструкторских задач, таких как полнота получения исходного описания от предметных специалистов, невозможность моделирования альтернативных процессов выполнения действий, многократное уточнение результатов и т. д.

Учитывая особенности автоматизации проектно-конструкторской деятельности, был сделан вывод о необходимости применения такого подхода к автоматизации проектирования, который бы поддерживал промышленный способ создания автоматизированных систем и позволял взаимоувязывать различные модельные представления в единое целое. Такой подход поддерживает методология автоматизации интеллектуального труда (МАИТ), разрабатываемая на кафедре «ИТиВС» МГТУ «СТАНКИН». Процесс создания САПР на основе методологии МАИТ обладает рядом преимуществ, такими как: наличие последовательно отображаемых формализованных моделей прикладной задачиналичие моделей независимых от реализации и ориентированных на конкретную программно-техническую средуналичие закономерностей формирования моделей;

На сегодняшний день разработаны методы и средства поддержки концептуального и инфологического моделирования, автоматического отображения концептуальных представлений в инфологические. Для этапа анализа традиционного процесса проектирования выполнена методическая проработка формирования предметного описания задачи. Реализация этого этапа только для подготовки описания и без дополнительной аналитической обработки существенно снижало эффективность последующих этапов, так как недостаточная полнота и точность первоначального описания порождала ошибки и трудности. А как известно стоимость устранения ошибок, порожденных на начальных этапах, экспоненциально зависит от времени их обнаружения.

Выявленные проблемы автоматизации создания САПР машиностроительного назначения, а также указанный подход к их решению позволили сформулировать цель работы, которая заключается в повышении эффективности процесса предпроектного обследования при создании САПР машиностроительного назначения за счет разработки методов формирования и моделирования представлений проектно-конструкторских задач на начальном этапе создания систем автоматизации проектирования.

Для достижения поставленной цели в работе решена научная задача, заключающаяся в выявлении взаимосвязей между характеристиками традиционного процесса проектирования машиностроительных объектов и свойствами модельного представления проектно-конструкторских задач на начальных этапах создания САПР, включающая: исследование существующих методов моделирования проектных задач на этапе предпроектного обследования при создании автоматизированных систем, формальное описание модельного представления проектно-конструкторских задач и его обработки на этапе анализа традиционного процесса их решения, разработку методики формирования модельного представления про-ектно-конструкторских задач и его обработки для получения более полного их информационного описания и реструктуризации, разработку средств поддержки процедур формирования и обработки модельного представления проектно-конструкторских задач на этапе предпроектно-го обследования при создании САПР машиностроительного назначения.

Научная новизна работы состоит: в установлении связей между характеристиками традиционного процесса проектирования машиностроительных объектов и свойствами модельного представления проектно-конструкторских задач на начальных этапах создания САПРв формальном описании проектно-конструкторских задач на этапе анализа традиционного процесса решения в виде представления, включающего модели разного уровня абстрагированияв разработке метода формирования полного информационного описания проектно-конструкторской задачи, обеспечивающего проверку информационной связности всех предметных действий задачив разработке метода реструктуризации функциональной составляющей модели проектно-конструкторской задачи, обеспечивающего сокращение временных характеристик процесса ее решения.

При разработке теоретических положений диссертации использовались аппараты блочных матриц и теории множеств, математической логики, реляционной алгебры, теории графов.

Практическая ценность результатов заключается в разработке: методики проверки информационной связностиразработке методики и алгоритма пошаговой минимизации временных характеристик выполнения сложных предметных действийпрототипной инструментальной системы поддержки описания и моделирования предметно-конструкторских задач на этапе предпроектного обследования организации при создании САПР машиностроительного назначения.

Методика и инструментальные средства были применены при автоматизации задач проектирования коробок передач и создании САПР сложных геометрических моделей пресс-форм.

В первой главе по результатам опубликованных исследований проанализированы существующие методы и средства, применяемые на этапах создания прикладных автоматизированных систем.

В качестве критериев использовались: поддерживание этапа анализа при разработке прикладных автоматизированных систем в рамках жизненного цикла (ЖЦ) — модели и методы, используемые для формирования представлений предметных задач на данном этапе.

Анализ позволил констатировать, что, главным образом существующие САБЕ-средства предназначены для создания информационных и управленческих систем. Данная технология обеспечивает выполнение следующих этапов: анализ деятельности организаций, концептуальное моделирование предметной области, проектирование прикладных систем и реализация. При этом под проектированием подразумевается планирование реализации системы в конкретной программно-технической среде. Как правило, для каждого этапа существует определенное модельное представление автоматизируемой задачи. Также анализ позволил выявить проблему получения полной и достоверной информации от заказчиков автоматизированных систем, поскольку способы представления и фиксации информации о задачах позволяют фиксировать только часть ее, и целостное представление их находится в голове предметных специалистов.

Исходя из полученных результатов анализа используемых методов и применяемых САБЕ-средств при создании прикладных автоматизированных систем и учитывая особенности автоматизации проектно-конструкторской деятельности, был сделан вывод о необходимости применения такого подхода к автоматизации проектирования, который бы поддерживал промышленный способ создания автоматизированных систем и позволял интегрировать различные модельные представления в единое целое. Такой подход поддерживает методология автоматизации интеллектуального труда (МАИТ), разрабатываемая на кафедре «Информационные технологии и вычислительные системы» Московского Государственного Технологического университета «СТАНКИН».

Для этапа анализа традиционного процесса проектирования в рамках указанной методологии была выполнена методическая проработка формирования предметного описания задачи. Реализация этого этапа в ручную для подготовки описания и без дополнительной аналитической обработки существенно снижало эффективность последующих этапов, так как ошибки и неточности первоначального описания порождали ошибки и трудности на последующих этапах. А, как известно стоимость устранения ошибок, порожденных на начальных этапах, экспоненциально зависит от времени их обнаружения.

Исходя из изложенного, особую актуальность приобретает задача получения от предметных специалистов и моделирования информации на начальных стадиях создания автоматизированных систем (АС).

Во второй главе изложены положения формального представления проектно-конструкторских задачи на двух уровнях абстрагирования, представлено моделирование информационных аспектов сложного предметного действия для различных типов алгоритмических конструкций, описаны правила формирования и моделирования структурного описания предметных действий и предметной задачи в целом.

Представление проектно-конструкторских задачи на этапе предпроектного обследования содержит описание информационной и функциональной частей.

Интеграция объектного и конкретного уровней для разных предметных задач или синтез ЕЯ — моделей предметных задач выполняется отдельно для моделей каждого уровня и на каждом уровне — по каждой составляющей модели: параметрам, предметным действиям, бинарным связям между предметными действиями.

Для моделирования информационных аспектов сложного предметного действия необходимо соотнести их с информационными аспектами входящих в него простых предметных действий, в зависимости от типа алгоритмических конструкций для каждого уровня абстрагирования.

Для оценки временных ресурсов на выполнение сложных предметных действий в их описание добавлена временная компонента.

Взаимосвязь временных компонент для простых и сложных ПД в зависимости от вида алгоритмических конструкций представлена для «последовательности" — «итерации" — «альтернативы».

Общее время выполнения предметной задачи будет равно сумме времен выполнения всех элементарных предметных действий. Если ввести среднее время выполнения элементарного предметного действия, то оценка временных характеристик может измеряться в тактах.

Для сокращения временных характеристик был предложен конвейерно-тактовый подход, позволяющий реструктурировать функциональное описание задачи за счет позиционирования любого предметного действия на определенном конвейере и такте с учетом информационной связности действий.

Наиболее эффективным формальным аппаратом для реализации этого подхода является аппарат блочных матриц, где строки ассоциируются с конвейерами, а столбцы с тактами.

Структурное описание любого предметного действия может быть представлено в виде блочной матрицы, в которой правый верхний блок раскрывает внутреннюю структуру (р+1) уровня этого предметного действия, а левый верхний и правый нижний соответственно определяют входную и выходную информационные компоненты этого же действия, левый нижний блок всегда равен нулю.

Для различных алгоритмических конструкций было сформулировано типовое представление их структурного описания.

Для предложенного формального представления были разработаны правила формирования полного структурного описания предметной задачи, которое определяет ее максимальную функциональную детализацию с учетом информационной связности действий. Полученное структурное описание фиксирует точку зрения конкретного предметного специалиста на процесс выполнения действий.

Реструктуризация полного структурного описания предметной задачи заключается в сокращении количества тактов (столбцов) и количества конвейеров (строк).

Предложенное структурное описание, позволяет изменять структуру решения задачи с учетом полного информационного описания за счет распараллеливания выполняемых действий задачи.

В третьей главе излагаются методики формирования и моделирования описания предметной задачи на этапе анализа традиционного процесса проектирования. Данные методики предназначены для разработчиков, специализирующихся в области анализа и моделирования предметной задачи на начальных этапах создания САПР машиностроительного назначения.

Анализ традиционного процесса решения проектно-конструкторской задачи, и включает следующий набор процедур: формирование описания комплекса задачформирование описания предметной задачианализ описания предметной задачианалитическая обработка описания предметных задачсинтез описания задачи с описанием комплекса задачаналитическая обработка описания комплекса предметной задачи.

Результаты анализа отражают графическое и табличное представление структуры действий задач, подлежащих автоматизации и их информационное содержание.

Результатом применения методик анализа традиционного процесса проектирования к проектно-конструкторским задачам является описание моделей этих задач в виде спецификаций.

В четвертой главе описано программное средство поддержки этапа анализа традиционного процесса проектирования. Разработанные на основе методик процедуры являются программными модулями расширяющие существующие возможности средств поддержки методологии автоматизации интеллектуального труда (МАИТ) в формировании и моделировании представлений проектноконструкторских задач на этапе предпроектного обследования организации при создании САПР машиностроительного назначения.

Были разработаны процедуры формирования (заполнение таблиц) и моделирования: проверки информационной связности задачиформирования полного структурного описанияминимизации структурного описания по тактам и конвейерамопределения информационных срезов задачи (по тактам).

В качестве средств реализации выбрано СУБД Paradox 7.0, использующий объектно-ориентированный язык ObjectPAL, которая обеспечивает необходимую интеграцию с существующими средствами поддержки МАИТ.

Реализация автоматизированной подсистемы включала организацию вычислительной среды — создание необходимых таблиц, содержащих описание модели, а также интерфейса, обеспечивающего взаимодействие пользователя с подсистемой и набор объектно-ориентированных методов, реализующих описанные выше процедуры.

Таким образом, был создан прототипный вариант подсистемы поддержки формирования спецификаций предметной задачи и их обработки на этапе анализа традиционного процесса проектирования проектно-конструкторских задач.

Апробация методики была проведена на ОАО «ЗЭЛТА-Инжиниринг» при создании САПР сложных геометрических моделей пресс-форм и управляющих программ для их изготовления на станках с ЧПУ.

В приложениях приводится пример формирования и моделирования моделей задачи «Проектирование цилиндрической зубчатой передачи».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные исследования и практическая работа позволили получить следующие выводы и результаты:

1. Получено новое решение актуальной научной задачи, состоящее в разработке методов формирования и моделирования представлений проектно-конструкторских задач на этапе предпроектного обследования организации, обеспечивающих повышение эффективности. при создании САПР машиностроительного назначения.

2. Установлены связи между характеристиками традиционного процесса проектирования машиностроительных объектов и свойствами модельного представления проектно-конструкторских задач на начальных этапах создания САПР, что позволяет фиксировать информацию, полученную от предметного специалиста.

3. Выполнено формальное описание информационных аспектов сложных предметных действий в зависимости от типа алгоритмических конструкций, позволившее получить целостное информационное представление для всей предметной задачи и осуществить проверку информационной связности действий.

4. На основе предложенного конвейерно-тактового подхода обоснованы правила формирования и оптимизации структурного описания проектно-конструкторских задач, которые позволили распараллелить функциональную структуру задачи с учетом информационной связности действий.

5. На основе полученного формального описания и правил моделирования представленной предметной задачи разработана методика формирования и реструктуризации ее структурного описания.

6. Разработан прототип автоматизированной подсистемы анализа традиционного процесса проектирования на этапе предпроектного обследования при создании САПР машиностроительного назначения и доказана его эффективность при решении практических задач.

Применение данных методик и программных средств поддержки позволяет осуществлять: проверку информаци.

144 онной связности задачи, формирование и минимизацию структурного описания, определять информационные срезы задачи по тактам, что позволяет повысить полноту и точность формирования описания задачи на этапе пред-проектного обследования организации при создании САПР машиностроительного назначения.