Применение цифрового двойника информационной платформы предприятия в производственных и учебных процессах с учетом функциональностоимостных и временных ограничений (на примере бизнес-процессов базовой кафедры информационных технологий)

Введение. В настоящий момент при реализации проектов по разработке и производству высокотехнологичной продукции разработчики работают в кооперации. В рамках таких проектов создаются цифровые платформы, позволяющие снизить транзакционные издержки за счет модернизации и алгоритмизации бизнес-процессов. Применение двойника такой предметно-ориентированной платформы в корпоративной информационной системе университета позволит модернизировать его учебные программы, а также повысить эффективность подготовки студентов. Цель исследования. Рассмотреть системную модель трансформации процесса обучения с использованием цифрового двойника информационной платформы, позволяющей решать актуальные задачи в заданной предметной области. Разработать методику применения функционально-стоимостного анализа при учете заданных ограничений на располагаемые проектные ресурсы, включая временные.

Методы исследования, использованные в работе:

– принципы методологии системной инженерии (процессного подхода, жизненного цикла и др.);

– комплексный подход и структурный анализ процесса проектирования по методологии SADT (Structured Analyze and Design Technology);

– функциональное моделирование (в нотации IDEFO).

Результаты. Предложен метод определения ресурсных ограничений, включая временные, на основе функционально-стоимостного анализа (ФСА) по моделям процессов в исследуемой предметной области с использованием информационной платформы.

Предложен модульный подход, основанный на логике прямого и обратного отношений композиции – декомпозиции, путем выделения элементарных объектов исследуемой предметной области по правилам дифференциально-интегрального исчисления (определённых и неопределённых интегралов) и далее теории динамических систем. Подход демонстрируется на решении задачи формирования учебных программ по дисциплинам базовой кафедры «Информационные технологии в машиностроении», связанных с производственной деятельностью. Показано, что применение предложенного подхода позволяет формализовать противоречия в компетенциях студентов с требованиями работодателей и определить компромиссные решения для их устранения.

Заключение. Разработанный подход системного функционального моделирования на основе цифрового двойника платформы предметно-ориентированной области позволяет произвести количественную оценку трудозатрат при ресурсных ограничениях, включая временные.

Мировое развитие цифровизации в различных областях деятельности общества, в том числе в промышленности, уже создало необходимые условия для реализации концепции 4-й индустриальной революции INDUSTRY 4 [1]. В этих условиях актуальной является задача формализации прикладных знаний на основе модельной гипотезы. Это приводит к необходимости интеграции деятельности вузов, ОКБ и производственных площадок на основе лучших практик, опыта в виде системных моделей, включая цифровые двойники и IT-технологии [2–4]. Развитие в университетах механизма базовых (производственных) кафедр, ориентация их программ на использование передовых технологий конкретного предприятия отрасли приводит к актуальной задаче: организации в университете площадки инновационной обучающей и научно-производственной деятельности в виде цифрового двойника (ЦД) корпоративной информационной системы (КИС) предприятия [5–9].

КИС предприятия (со своим внешним и внутренним содержанием) – это прежде всего множество интегрированных между собой систем различных классов (PLM/CAD/CAM/CAE/PDM/ ERP/SRM/1C др.). Цифровой (информационный) двойник как адекватное отображение объектов и их связей в исследуемой предметно-ориентированной области в соответствии с принципом двойственности, в свою очередь, параллельно отображается структурой внешней среды и структурой внутреннего содержания. Организация по созданию ЦД КИС подробно рассмотрена авторами в [10].

На рис. 1 показана схема расположения цифрового двойника КИС производственного предприятия в структуре вуза и роль базовой кафедры информационных технологий.

Рис. 1. Место ЦД КИС предприятия в составе КИС университета Fig. 1. Place of the digital twin of the enterprise's corporate information system within the corporate information system of the university

Выделим внутреннее содержание ЦД КИС как представляемое описанием бизнес-процессов, связанных с обучением на базовой кафедре, а отношения ЦД КИС с КИС университета (внешнее содержание), описываемое интегральными бизнес-процессами взаимодействия факультетов между собой, с базовой кафедрой, с производственным предприятием.

Внедрение передовых технологий в учебный процесс происходит за счёт разработки учебных программ специалистами базовой кафедры, устраняющих разрыв между компетенциями выпускников вуза и требованиями производства (будущего работодателя) за счет адаптации учебных программ под решение актуальных задач предприятия.

Каждая из актуальных задач из предметной области соответствует определенному этапу жизненного цикла (ЖЦ) изделия [11, 12]. Их решением в университете занимаются соответствующие рабочие группы (ППС, научно-исследовательские лаборатории и т. д.). Описание задач на естественном языке открывает возможность дальнейшей формализации и представления знаний в форме онтологической модели, в форме справочников и организационно-распорядительных документов и далее в форме системной модели на предметно-ориентированных метаязыках IDЕF, UML, BPMN [13–15].

На рис. 2 представлен фрагмент функциональной модели, где показано влияние актуальных производственных задач на составление индивидуальной траектории обучения. Основными управляющими воздействиями при этом являются профстандарты, описывающие компетенции к конкретным должностям, дополненные требованиями с точки зрения конкретного предприятия, а также федеральные государственные образовательные стандарты, определяющие компетенции специальностей в университете, с учётом его научно-производственной деятельности.

Рис. 2. Фрагмент функциональной модели (2-й уровень) Fig. 2. Fragment of the functional model (2nd level)

На практике учебные программы базовой кафедры ограничены объёмом часов, выделяемым на вариативные дисциплины. Поэтому для построения гибкой траектории обучения целесообразно применять модульный подход к составлению учебных программ [16]. На рис. 3 приведено влияние (обратная связь) предприятия на учебный процесс университета в виде включения дисциплин базовой кафедры в учебный план. Отметим, что наличие обратной связи предполагает сохранение устойчивости объекта, то есть его целостности в рамках заданных ограничений [17].

Суть данного подхода отражена в таблице, из которой видно, что один и тот же модуль может применяться при подготовке учащихся разных специальностей и с различных факультетов, обеспечивающих в целом весь ЖЦ изделия. ИТ i и АД i обозначают модули учебной программы для студентов, обучающихся по специальностям в области информационных технологий и авиационных двигателей соответственно.

Структурным элементом каждого модуля является тема занятия, направленная на приобретение студентом набора контролируемых действий при решении актуальных задач предметной области.

Как правило, на первом этапе внедрения оцениваются временные показатели внедрения биз-нес-процессов [18]. Поэтому разработанная модель использовалась для расчёта временных затрат при создании учебно-методических материалов модуля по методике функционально- стоимостного анализа [19, 20]. На рис. 4 приведен фрагмент модели для расчета модуля АД1 «Базовый курс моделирования в CAD/CAM-системе», трудоемкость которого составила 270,1 ч.

Рис. 3. Фрагмент функциональной модели (3-й уровень)

Fig. 3. Fragment of the functional model (3rd level)

Модульный состав учебных программ The modular structure of training programs

№	Должность (профессия)	Учебная программа	Наименование модуля	Специальность
1.	Системный администратор	Основы администрирования CAD/CAM/ PLM-систем	ИТ 2 – «Основы администрирования CAD/CAM-систем»	Информатика и вычислительная техника
			ИТ 3 – «Основы администрирования PLM-систем»
			ИТ 1 – «Основы управления конфигурацией изделия в PLM-системе»
2.	Инженер-программист	Основы программирования под CAD/CAM/ CAE/PLM-системы	ИТ 4 – «Развертывание PLM-системы»	Прикладная информатика
			ИТ 5 – «Разработка прикладного ПО в PLM-системе»
3.	Инженер-конструктор (проектировщик)	Основы конструкторской подготовки производства	АД 1 – «Базовый курс моделирования в CAD/CAM-системе»	Двигатели летательных аппаратов; проектирование авиационных двигателей.
			АД 2 – «Модуль Drafting в CAD/CAM-системе. Базовый курс»
			ИТ 1 – «Основы управления конфигурацией изделия в PLM-системе»
4.	Инженер-конструктор (расчетчик)	Основы инженерного анализа в CAD/CAM/ CAE-системе	АД 1 – «Базовый курс моделирования в CAD/ CAM-системе»	Проектирование авиационных двигателей.
			АД 3 – «Базовый курс инженерного анализа в CAE-системе»

NUMBER:

NODE:

A0

^TITLE: Разработать "Базовый курс моделирования CAD/СAM систем" (АД1)

Рис. 4. Расчет временных затрат по методике ФСА для дисциплины «Базовый курс моделирования в CAD/CAM-системе»

Fig. 4. Calculation of time costs using the method of functional cost analysis for the discipline “Basic course of modeling in CAD / CAM-system”

Нормирование времени для отдельных видов задач (рис. 5) производилось по стандарту университета (СТП).

Activity Name	Activity cost           cost center                              cost center cost ($ U.S.)                                                              ($ U.S.)
разработать учебные программы базовой кафедры для специальностей	404,10        подготовка и изготовление                           51,50 видеоматериала подготовка и изготовление уч.                       60,00 презентаций (слайдов) подготовка лекционного материала                   35,00 подготовка типовых заданий для                      2,60 практических занятий Разработка индивидуальных                          10,00 учебных планов Разработка методических указаний                  105,00 составление новых методических                     90,00 указаний по практическим занятиям составление рабочих программ на                    50,00 учебным дисциплинам
Сформировать темы для уч. модулей	10,00        Разработка индивидуальных                          10,00 учебных планов
определить уч. модули для спец-й	108,50        Подготовка и изготовление                           51,50 видеоматериала подготовка и изготовление уч.                       50,00 презентаций (слайдов) подготовка лекционного материала                    5,00 подготовка типовых заданий для                      2,00 практических занятий
сформировать рпд	50,00        составление рабочих программ на                    50,00 x/uebuuu nurnunлипли Рис. 5. Фрагмент отчета Activity Cost Report Fig. 5. Fragment of the Activity Cost Report

Ниже приведены формулы суммирования затрат для рабочей программы дисциплины (РПД) с различными размерностями по схеме композиции (снизу вверх).

РПДр = ^^Mi , где РПДр - время на разработку p-й РПД; n - количество новых модулей в РПДр; Mi - время на разработку i-го модуля.

Mt = ^t4 , где tk – время на разработку k-й темы; m – количество тем в модуле.

tk = ^LiNi*Vi, где Vi – объем i-го вида работ в данной теме; q – количество видов работ при разработке темы; Ni – норма времени для расчета нагрузки, соответствующая i-му виду работ.

При разработке лекционного материала (презентаций), видеоматериалов и заданий для практических занятий, а также учебно-методических указаний для проведения лабораторных работ по данной дисциплине согласно расчетам затраты составили 258 часов, что согласуется с результатами ФСА.

Кроме количественной оценки трудозатрат данный анализ позволяет выполнить планирование работ и распределение нагрузки между сотрудниками базовой кафедры.

В целях обобщения подчеркнем, что в рассмотренном примере были использованы только программные средства, методические и информационные ресурсы, используемые в рамках цифрового двойника КИС предприятия.

Выводы

• 1.    С учётом ограничений на трудозатраты на разработку учебных программ и выпуск учебнометодических материалов предметной области можно обеспечить модульное построение учебных программ вовлечения студентов различных факультетов, получения знаний и компетенций, соответствующих определенной специализации.

• 2.    На основе разработанной функциональной модели были сформированы учебные программы базовой кафедры «ИТ в машиностроении» при ПАО «ОДК-УМПО» для отдельных специальностей факультетов ИРТ и АДЭТ УГАТУ.

• 3.    Трудозатраты, рассчитанные по разработанной модели с использованием методики ФСА, соответствуют реально затраченным, что подтверждает целесообразность ее использования.