Концептуальное конструирование орудий для основной обработки склоновых земель

Введение. Интенсивное использование на землях сельскохозяйственного назначения тяжелой энергонасыщенной техники привело к значительному переуплотнению пахотных земель, которые за последние 30 лет стали плотнее более чем на 20% [1]. Очевидно, что переуплотнение почв является одной из основных причин, снижающих урожайность сельхозкультур, так как препятствует проникновению влаги в глубь почвы, снижает инфильтрационные показатели к поверхностному стоку, нарушает капиллярный приток влаги из более глубоких сло- ев к поверхности. Эти недостатки особенно явно проявляются на склоновых землях, которые испытывают на себе многие дополнительные факторы деградации (дефляция, поверхностный смыв, обесструктуривание, сползание верхнего слоя почвы к подошве склона с образованием заболоченных участков), приводящие к потере урожайности до 12–15% [2, 3, 4]. Особенности склоновых земель предъявляют повышенные требования к соответствующим технологиям работы. В части уборочной и посевной техники эти вопросы решены путем специ- альных конструктивных решений [5, 6]. В части предпосевной обработки одним из наиболее эффективных является способ обработки склоновых земель [7], заключающийся в поперечной обработке почвы глубокорыхлителем с чередованием обработанных и необработанных полос, где необработанные полосы выполняют роль внутрипочвенной подпорной стенки. Однако существующие почвообрабатывающие орудия не могут в полной мере качественно реализовать данный способ. В связи с этим поиск рационального решения этой проблемы на основе методологии концептуального конструирования является актуальной задачей.

Цель работы. Обоснование технологических и технических решений повышения эффективности обработки склоновых земель на основе новых информационных технологий проектирования.

Предмет исследований. Технологии анализа и проектирования структуры орудия на базе объектно-ориентированного подхода.

Объект исследований. Методология концептуального конструирования орудия для обработки склоновых земель на основе универсального языка моделирования UML.

Методика исследований. Установлено [8], что до 70% общих причин несоответствия технического объекта техническому заданию связано с ошибками на начальном этапе проектирования, относящегося в терминах ЕСКД к стадии технического предложения. Применение современных методов анализа и синтеза структуры объекта минимизирует возможные ошибки и гарантирует получение на этой стадии оптимальной структуры орудия, наилучшим образом соответствующей функциональным требованиям технического задания. Объектно-ориентированное моделирование является одной из важнейших составляющих таких технологий.

Понимая под проблемой рациональный анализ рефлексивного осмысления несоответствия между существующей и желаемой системами [9] и отожествляя желаемую систему с техническим заданием, выделим две основные проблемы построения базового инварианта структуры технического объекта:

• 1)    использование классического индуктивного, а не системного подхода к моделированию;

• 2)    игнорирование современных технологий моделирования структуры орудия.

Одним из базовых принципов диалектического метода является принцип восхождения от абстрактного к конкретному, где посредством триады категорий «всеобщее – особенное – единичное» устройства или процессы рассматриваются как система [10]. Адаптируем философские категории естественными понятиями следующим образом: «всеобщее» в рассматриваемом случае семантически тождественно «абстрактному» в виде целей технического задания, «особенное» тождественно «объектному» в виде структуры некоторых объектов, которые по своему потенциальному функционалу могут реализовать абстрактные цели. Логически непротиворечивый переход от абстрактного к объектному обеспечивается применением методологии объектно-ориентированного анализа (ООА) [11]. Дальнейшая реализация триады в части «единичное» как «конкретное» осуществляется по известным стандартным методикам, позволяющим получить количественные характеристики полученных объектов.

Для согласованной работы всех участвующих в проектировании, производстве и эксплуатации технического объекта и использующих для этого в качестве поддержки системы CAE/CAD/CAM необходима соответствующая информационная поддержка на всех этапах его жизненного цикла. Эта поддержка осуществляется системой CALS (Computer Aided Logistics Support – компьютерная поддержка логистических процессов), которая не отвергает существующие автоматизированные системы проектирования и управления, а является средством их эффективного взаимодействия.

Результаты исследований и их обсуждение. Создание системы обработки склоновых земель (СОСЗ) следует начинать с разработки концептуальной модели, которая позволяет выполнить переход от структуры целей к структурной модели. При этом важным этапом является определение начальных концепт, на основании которых строится структура системы и прогнозируется её поведение. Предметноориентированные системы, такие как рассматриваемая СОСЗ, для поиска рациональной структуры используют специальные методы проектирования, методология которых базируется на системном подходе, использующем принципы декомпозиции, иерархичности, локальной оптимизации и комплексного осуществления процесса проектирования, включающего функциональный, конструкторский и технологический аспекты [11, 12, 13].

Методология концептуального конструирования представляет собой последовательность выполнения ряда процедур по декомпозиции целей, выделению структуры системы из среды, функционально-структурному анализу и т.д. и системному синтезу проектного решения [14]. Главным предметом системных исследований являются цели [12]. Цель является главным системообразующим фактором. Действительно, при ОСЗ на глобальную цель и её последующие декомпозиции, определяющие в итоге всю структуру системы, оказывают влияние не только состав почвы, глубина обработки, угол склона, влажность, но и используемые при этом технологии. Отметим, что отличительной особенностью ОО-методологий является описание эволюционирующих систем, что позволяет изменять состав системы, включая новые объекты и исключая устаревшие без урона её жизнеспособности.

В качестве нотации представления СОСЗ применяем унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language), который включает набор графических элементов, используемых на диаграммах, и содержит правила для объединения этих элементов. В UML задействованы три типа моделирующих блоков [11, 13]: сущность, отношение и диаграмма. Сущности являются основой модели, отношения обеспечивают их привязку друг к другу, а диаграммы группируют наборы сущностей. Чаще всего диаграмма изображается в виде связного графа (диаграммы) с вершинами (сущностями) и ребрами (отношениями). Стандартный UML использует 9 типов диаграмм. В зависимости от вида и сложности системы для её описания могут быть задействованы только некоторые типы диаграмм. Для рассматриваемой СОСЗ достаточно использовать три стандартных диаграммы: классов, объектов и прецедентов. Отличительной особенностью разрабатываемого концептуального конструирования является расширение возможностей UML путем добавления в анализ новой диаграммы «функционально-целевых классов». Диаграмма «функционально-целевых классов» позволяет однозначно устанавливать диалектическую взаимосвязь целей с реализующими эти цели объектами через их функциональную общность.

Таким образом, формализуется переход от целей к объектам в виде тернарной диаграммы целевых классов, что делает возможным описание объектно-целевой структуры исследуемой системы [14]. Взаимосвязь классов в UML-моделировании отражается с помощью отношений, наиболее важными из которых являются зависимости (изображаются пунктирной линией со стрелкой на конце) наследования (сплошная с незаполненной треугольной стрелкой на конце), ассоциации (сплошная линия) и агрегации (сплошная с ромбовидной стрелкой на конце) [11, 13].

Анализ показал, что систему ОСЗ можно определить как «конечное множество функциональных элементов и отношений между ними, выделенное из среды в соответствии с известной целью в рамках определенного временного интервала» [12, 14]:

5 = < A,R,Z,SR, AT >

def , где S – система; A – множество элементов системы A = {ai}; R - множество связей, отношений между элементами системы R = {г} Z – структура целей системы; SR – среда целе-образования; AT - интервал времени целеоб-разования.

В общем виде методика структуризации целей системы, учитывающей среду целеобра-зования, включает семь уровней иерархии целей [12, 14], однако перечень используемых признаков может быть сокращен, а последовательность (порядок) их применения изменена. При анализе системы СОСЗ достаточно использовать 3-уровневую структуру целей. На рисунке показана разработанная объектноцелевая диаграмма классов (ОЦДК) системы СОСЗ.

Глобальная цель определяется видом конечного продукта, что и определяет окончательную конфигурацию системы. Среда формирования глобальной цели определена на основе определяющих задание документов и состоит из следующих элементов: Урожай , как интегральный показатель экономических и социальных функций почвы и накладываемые на него ограничения – Климатические условия , Плодородие почвы и Агротехнические требования .

Объектно-целевая диаграмма классов системы СОСЗ

Глобальная цель (Повышение эффективности основной обработки) формируется конкретным заказом, для осуществления которого создается СОСЗ. Среда целеобразования позволяет дифференцировать цели в соответствии с формируемыми требованиями. Таким образом, на уровне среды целеобразования имеем: Сохранение стерни (ССт); Разуплотнение подстерневой почвы (РПП); Снижение энергозатрат (СЭЗ), Возможность работы на склонах (ВРнС). Следующим уровнем иерархии, связанным отношениями наследования, является интервал времени целеобразования, где осуществляется дальнейшая декомпозия целей вышестоящего уровня: подцель СГС может быть декомпозирована на Внесение удобрений (ВУ); подцель ССт на Подрезание корней (ПК); подцель РПП на Щелевание почвы (ЩП) и Увеличение зоны разрыхления (УЗР); подцель СЭЗ на Снижение тяговых усилий (СТУ); подцель

ВРнС на Сохранение устойчивости склона (СУСк). Следующий уровень декомпозиции увязан с реализуемостью элементов системы. На этом этапе «функционально-целевого анализа» для осуществления логической взаимосвязи между целями и объектами следует оперировать не термином «подцель», а термином «функция», считая при этом, что «дерево целей» перерастает в «дерево функций» [12, 14]. В результате формируется переходная диаграмма функционально-целевых классов (ДФЦК), включающая следующие ФЦК: Точность дозирования вносимых удобрений (ТДВУ); Точность глубины подрезания (ТГП); Оптимизация геометрических параметров щелевателя (opt ГПЩ); Оптимизация параметров рыхлящих элементов (opt ПРЭ); Послойная обработка (ПО); Рыхление с созданием подпорных стенок (РСПС).

Перечисленные ФЦК, с одной стороны, наследуют подцели указанного уровня декомпозиции, являющиеся атрибутами целевых классов ВУ, ПК, ЩП, УЭР, СТУ, СУСк, а, с другой, формируя отношения зависимости, определяют набор функций конкретного класса оборудования, а именно, Оборудование внесения удобрений (ОВУ)→ТДВУ; Плоскорез (Пл)→ТГП; Стойка щелевателя (СтЩ)→ opt ГПЩ ; Рыхлящие элементы (РЭ) → opt ПРЭ; Трехъярусные рыхлящие элементы (3-х РЭ)→ПО ; Дополнительное оборудование поворота стоек (ДОПСт)→РСПС.

Эволюция ОЦДК связана с добавлением новых целей. Например, снижения совокупных затрат (ССЗ) на ДФЦК может быть отражено введением целевого класса ССЗ, связанного отношениями наследования с классами СТУ и СЭЗ. В ДКО достижение указанной цели связано с расширением функциональных задач оборудования за счет автоматического (САУ) изменения угла наклона стоек. Экологическая безопасность (ЭБ) отражается на ДЦК введением целевого класса ЭБ, связанного отношениями наследования с классами СГС и снижения воздействий ходовых систем (СВХС), который через отношение зависимости связан с глубоко-рыхлителем навесным чизельным (ГНЧ). Отношения наследования и зависимости перечисленных классов на рисунке выделены «жирным» и позволяют проследить последовательное движение от формулирования задачи, формализации ее в виде целевого класса до расширения функций оборудования СОСЗ.

Выводы. Приведенная методология концептуального конструирования СОСЗ позволяет путем интеграции диаграмм ДЦК, ДКО и ДФЦК разрабатывать структурную модель системы в виде тернарной ОЦДК. Такая модель позволяет формализовать взаимосвязи целей, инициируемых конкретными технологическими задачами, с элементами технологического оборудования, объединяя их через отношения агрегации в базовую структуру орудия для основной обработки склоновых земель. На основании полученных результатов сконструировано орудие, защищенное патентом РФ на изобретение [15].