Применение прецедентно-ориентированного метода в задачах поддержки жизненного цикла авиационного изделия

С конца ХХ века благодаря бурному развитию электроники и вычислительной техники в машиностроительную отрасль начинают широко внедряться информационные технологии, призванные автоматизировать часть проектноконструкторских работ, обеспечить быстрый доступ к необходимым данным, систематизировать справочную и нормативно техническую документацию, сократить сроки разработки высокотехнологических и наукоемких изделий, как и их жизненный цикл (ЖЦ), уменьшить количество ошибок на всех стадиях разработки и изготовления изделий. Своего рода информационные системы стали не только инструментом и технологией, но и моделью, описывающий облик будущего изделия в разных представлениях, позволяющей отрабатывать и критически оценивать конечный продукт, на всех стадиях ЖЦ.

В тоже время, на каждой стадии ЖЦ создания изделия, ее можно представить, как ту или иную модель M_i , а в целом, ЖЦ является системой взаимосвязанных моделей, отражающей его основные характеристики, атрибуты, пара-

метры и облик. К примеру с точки зрения инженера-конструктора летального аппарата (ЛА) его в первую очередь интересует электронное представление изделия в виде параметрических математических моделей, выполненных в одной из САПР твердотельного моделирования. Инженеры-технологи видят ЛА как совокупность технологии, технологических процессов, инструментов, станков, оснастки и материала, которые также отражаются в специализированных САПР. Логисты, в свою очередь, представляют изделие как систему взаимодействия кооперантов и завода-заказчика, путей транспортирования продукции, планам по закупкам покупных комплектующих изделий (ПКИ) и т.п. Такое большое количество моделей требует «гибкой увязки» между собой в единой электронной системе поддержки принятия решений и в случае изменения каких-либо атрибутов, параметров или требований в одной модели, имелось оперативное отражение и во взаимосвязанных. Этому способствуют информационные технологии, активно внедряемые на предприятия машиностроительной отрасли.

1.    ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ СИСТЕМЫ

Основываясь на анализе развития машиностроительной отрасли, можно сделать вывод, что к авиационным изделиям всегда критически предъявлялся такой параметр, как конкурентоспособность. Этот параметр можно рассматривать не только с экономической точки зрения (цена, себестоимость, затраты на эксплуатацию), но и комфортабельности (к примеру, для гражданских судов), соотношении грузоподъемности и дальности полета (для транспортных самолетов), выживаемости, вооруженности, реше- ние тактических задач (для военных самолетов). В идеале, разработчики ЛА стремятся учесть все возможные критерии при создании того или иного типа самолета, но на практике, часто приходиться жертвовать одними показателями в угоду других.

В современной авиационной промышленности принципиально «новых» образцов техники нет, тот или иной «новый» самолет строится на уже известных отработанных принципах. Инновации, как таковые, зачастую являются заимствованием из других областей науки и техники и путем экспериментов, с ужесточением или ослаблением физических характеристик (исходя из тактико-технических требований) применяются в изделии. В данной статье под инновацией авторы понимают либо улучшающие инновации, направленные на развитие и модификацию базисных инноваций, их распространение в разных сферах с учетом их специфики или псевдоинновации, имеющие незначительные технические или внешние изменения продуктов при неизменном конструктивном исполнении и расширение номенклатуры продукции за счет освоения известных на рынке продуктов [10]. Примерами могут служить увеличивающиеся количество использования композиционных материалов (КМ) в силовом наборе планера, хотя изначально КМ использовались для изготовления формообразующей оснастки и только спустя десятилетие стали предприниматься попытки их внедрения в конструкцию ЛА или жидко-кристаллические матрицы для индикаторов бортоборудования, изначально в которых использовались электронно-лучевые трубки. Своего рода, когда такой экспериментальный подход, удачно отработанный на одном изделии и даже в другой предметной области, с изменением некоторых требований, пытаются применить на другом изделии, можно говорить о прецеденте (решении).

Основа любой онтологии – семантически и логически связанные наборы прецедентов

Под прецедентом следует понимать активность человека или группы лиц приведшей к удачному решению проблемы в прошлом, которое может быть использовано в будущем. Более подробно, использование прецедентного подхода для решения проблем в проектной деятельности авторами рассмотрены в работах [28]. На рис. 1 представляется модель прецедента, реализованная в вопросно-ответной моделирующей среде WIQA.

В плане «заимствования» одного удачного решения из одной предметной области в другую можно считать как «прецедент породивший прецедент», т.е. P_i{P_Ti, P_QAi, P_Li, P_Gi, P_Ii, P_Ei} → Pj{P_Tj, P QAj , P Lj , P Gj , P Ij , P Ej }, где P T , P QA , P L , P G , P I , P E , - модели отражающие основные характеристики и параметры решения, изменяющиеся в зависимости

Qu Qz

Инструментальная среда образно-семантического сопровождения

Прецедент Р

PT(t) PQA(01 PL(t)

S^G^Z Ltf)}

Библиотека Моделей

Рис. 1. Представление модели прецедента

от некой предметной области О. Более подробно о моделях авторами рассказано в работах [28] Учитывая, что большинство задач, которые сейчас решаются современной наукой, узконаправленны и находятся в пределах одной предметной области, проводить натурные эксперименты с применением тех или иных решений по применению в другой, даже смежной, предметной области экономически накладно, и требует больших финансовых инвестиций, то, вначале можно рассмотреть такой подход, как концептуальный эксперимент (рис. 2).

Концептуальный эксперимент - это мысленный эксперимент, содержание и процесс которого оперативно отображается на семантическую память, а результаты отображения используются по ходу экспериментирования с полезными моделями [7, 8].

2.    РАССМОТРЕНИЕ ЖЦ ИЗДЕЛИЯ КАК СОВОКУПНОСТИ МОДЕЛЕЙ

Идея полной информатизации предприятия и реализации информационных взаимосвязей составляющих его объектов и процессов не нова, но учитывая, что современные технические средства предоставляют большие вычислительные мощности, а огромные объемы памяти вычислительных устройств позволяют хранить требуемое количество данных, в дополнении с высокой скоростью соединения между устройствами обеспечивающее быстрое взаимодействие между ними, позволяют реализовать заложенный технический потенциал в полной мере. Как следствие, сейчас уже можно говорить об экспериментировании не на уровне одной модели (стадии ЖЦ), а на всех уровнях, причем

Рис. 2. Представление структуры концептуального эксперимента

Проектирование। ■ Технолоп пе екая подготовка производства -*| Производство I | Реализация ■ Сервисное эбсл\ живанис! Изделие (СЕ) 1 1 Изделие (СЕ) 1 Изделие (СЕ) 1 1 1 Изделие (СЕ) 1 1 Изделие (СЕ) Наименование Данные КД ДаннысКДиТД Данные КД ТД \ Данные КД ТД Обозначение Сбор очный чертеж Спецификация Тех требования Дата ввода Нормы расхода НМ Технология сборки Методика испытании Дата ввода Выпуск Датызап/вып Фактич. нормы расхода ВМ Партии ДСЕ в сборке П1Г111ИП РЧН пронзводсгва + Серийный номер Заказчик Дата отгрузки производства, реализации 't- пр стснзии Фактические данные о СО Детали сборки Фактич. пар-ры Условия СО Цена Наименование Детали Данные КД + Нор мы расхода ОМ Нор мы р а схода В М Материал Масса Тех требования Детали Данные КД и ТД 1 Факт, нормы расхода ■ IViaLfLUUV 1 Г1>1 Г1Л ТСХНОЛОГНЯ нзг-ня Дата ввода Партия материала Исполнители по сидерациям Датызап/вып

Рис. 3. Представление связей между стадиями ЖЦ

с такой реализацией, чтобы изменение в одной модели отражались в других, так как существуют информационные связи (на уровне объектов, атрибутов, параметров, условий и пр.) между этапами ЖЦ (рис. 3) [9].

На рис. 4 представлен укрупненный вариант ЖЦ изделия ЛА. В дальнейшем в данной статье основное внимание будет уделено следующим этапам ЖЦ:

• -    Проектирование;

• -    Производство;

• -    Эксплуатация, в том числе с учетом модернизации;

• - Утилизация.

Рассмотрим подробнее каждый этап ЖЦ.

Первым этапом создания любого изделия является его проектирования, где определяются будущие характеристики и прооблик изделия. Далее кратко рассмотрим основные концепты, задающие облик изделия.

К первому такому концепту можно отнести тактико-технически требования [{TTT}] - набор требований к функциям и возможностям проектируемого ЛА, который, как правило, представляется в текстовом виде.

Вторым таким концептом можно назвать компоновочную схему ЛА (KSLA), которая пред- ставляет собой набор как графической информации (GKS), так и текстовой ({TKS}). Такие наборы можно записать в виде формулы:

KS LA = [G K ^S; {T KS }] .              (1)

Следующим таким концептом будет материализация теоретического контура ЛА в виде его мастер-геометрии (МГ) (MG LA ) , которая подразделяется на МГ крыла, фюзеляжа (состоящего из отсеков) и оперения:

G ( MG LA ) = { G ( MG^f ) ; G ( MG K ) ; G ( MG O ) } .

Дальнейшую детализацию составляющих обвода продолжим на примере G(MG F ) , который включает в себя наборы теоретических поверхностей обшивки G(P F ) , осей стрингеров G(Ostrp^F) и осей шпангоутов G(Osshp^F) , можно представить выражением:

G ( MG^f ) = ( G ( P ^F ) ; G ( Os^{Shp F} ) ; G ( Os^SltF ) ; G ( Os L*^ )) . (2)

В свою очередь наборы поверхностей аэродинамического обвода, осей шпангоутов и стрингеров состоят из отдельных поверхностей G( P^F ) и осей, задаваемых, как правило, плоскостями ( Os s^hpF , Os s'^rF , Os s'^rF ):

G ( P^F ) = { G ( P^F ) , j = I- nj } ,            (3)

G ( Os^ShpF ) = { G ( Os^FhpF ) , k = 1... nk } ,        (4)

Формирование технических треоовании к самолету

Рис. 4. Жизненный цикл изделия. Укрупненный вариант

G ( Os^SrF ) = { G ( OsS* ) , l = 1... nl } ,           (5)

Проведенные рассуждения о фюзеляже и символические представления так же применимы к G(SMG^K) и G(SMG^O) .

Таким образом переход от теоретических поверхностей ЛА к его твердотельным моделям можно записать в укрупненном виде: G ( MG ^la ) —— G ( LA ) , где G(LA) - набор всех электронных моделей ЛА; R – некоторая функция преобразований отображения, которую выполняет проектировщик при работе с исходными математическими поверхностями и построении новых математических моделей элементов ЛА.

Или, например, такое выражение для конкретной детали сборки шпангоута ( G ( Det mhhp ) ) можно записать как:

G (PF) П G (OsjhpF) П G (Osk") П {TZlSh} —— G (Detmp)

, где {TZ^” } - набор текстовых требований для проектирования ЭМ шпангоута.

Тогда полный прецедент шпангоута будет иметь вид:

P Sp = [ G ( Det Sh );T^Shp }; Atr i ^Shp ] , где { T Sp ^} -текстовая составляющая, в которой содержится описание данной детали; Atr_i^Shp – атрибутная составляющая, в которую входит наименование, обозначение, материал, фамилии разработчиков, ключи для классификации и каталогизации, ключи для связи с набором текстовых требования для проектирования и т.д.

Все дальнейшие стадии проектирования ЛА и его производства сильно зависит от выбора приведенных концептуальных составляющих и являются функциями их отображения, материализующими технические решения, позволяющие достичь требуемых характеристик изделия с минимальной стоимостью изготовления и эксплуатации. Данная материализация технических решений проходит через ряд стадий проектирования, каждая из которых добавляет новые данные или изменяет существующие.

Так типичными этапами проектирования, через которые проходят все современные ЛА являются:

– Идея (Разработка тактико-технических требований для решения выбранных задач ЛА)

• –    Эскизный проект;

• –    Техническое предложение;

• –    Рабочий проект;

• –    Выпуск первого образца;

• –    Испытания.

Для каждой из приведенных стадий существует модель прецедента, включающая в себя определенные математические модели облика ЛА, текстовую составляющую, а также данная модель для облегчения задач поиска и структу- рирования или агрегирования информации может быть расширена атрибутной составляющей и тогда модель прецедента для единицы жизненного цикла в общем виде можно записать как:

P S = [ G ® ( La ) ;{T' S‘ }; Atr St ] .

Для определенных стадий ЖЦ может отсутствовать одна из составляющих. Так, для ТЗ на проектирование модель прецедента будет состоять только из текстовой и атрибутной составляющих.

Стоит так же отметить, что для каждого конкретного случая или стадии ЖЦ в модели прецедента настраиваются атрибутные связи с другими моделями прецедента, которые были родителями для данного прецедента или являются потомками. Такая связь позволяет устанавливать причинно-следственные зависимости между принятыми техническими решениями инженерным персоналом и результатами испытаний и эксплуатации.

Далее из стадии проектирования можно выделить будущую структуру изделия, с проекцией на конструктивное и технологическое членение (рис. 5).

В конечном итоге, определив все отношения и связи мы получим гибкую систему взаимосвязанных моделей, с которой можно экспериментировать как в условиях данной стадии, так и в условиях каждой отдельной модели М, предварительно конечно определив онтологические связи между моделями по типу «часть-целое», «родитель-потомок» и т.п.

Этап проектирования завершается после испытаний ЛА и переходит в стадию производства. На этой стадии можно выделить 2 основных этапа:

• -    конструкторско-технологическая подготовка производства (КТПП);

• -    Серийный выпуск.

Отличительной чертой стадии КТПП является то, что она является продолжением стадии проектирования и на ней также производится работа с геометрическими электронными моделями и происходит наследование их геометрических свойств.

Такое наследование геометрии может быть выражено как:

G ( LA ) —— G ( TO ) , где G(TO) - математические модели проектируемого ТО для изготовления и сборки ЛА.

В приведенном выражении, для краткости, не раскрыто использование текстовых документов, которые появляются на стадиях технологической проработки, т.к. структура математических моделей ТО аналогична структуре для ЛА, но с учетом добавления специфичных для этого этапа документов и методов проектирования. К таким документам относятся ТП на изготовление деталей и их сборку, ТЗ на проектирование

"Агрегат

Физическая структура Mf$

"Подсистема*

«Функциональная "Функциональный единица*

>

Msys

>

«Система*

«Илде ше*

Агрегат

----------------)

Системно-агрегатное определение ।

Msig I

Musys

Mfu

Mfe

*

■*■

Гидро-

■*

■*

Фюзеляж

Полы

Колесо

Топп, система

Насос

Производственно-технологическое определение

Mpt

Mmdl

>лм

Mass

Mcom г— Панель пола

«Узел»

Балка пола

«Физическая деталь»

"Создаваемая деталь»

Мед г Конструктивный элемент*

Мо*|

■> Герметик

"Материал*

- «Моду.

Секция пола

Управления

Самолет

Системы

Крыло

Мотогондолы

Планер

Силовая установка

■* Электро-

Секция

Фитинг

Балка пола

Пилоны

Рис. 5. Рассмотрение Изделия «Самолет» как взаимосвязи моделей

ТО, а также разнообразные сопроводительные документы, необходимые для обеспечения процесса КТПП и производства.

Данные документы появляются из геометрических особенностей деталей и узлов ЛА, а также ТТ на изготовление.

Переходя на уровень прецедентов, переход от проектирования ЛА к проектированию ТО можно в общем виде записать:

P^L { G ( La );{ T^LA }; Atr LA } >  P^T0 { G ( TO );{ T^TO }; Atr^TO } .

В данной работе авторами не рассматриваются информационные модели изделия и компонента, проекции которых в системе будут рассмотрены с последующих работах.

Здесь, также следует отметить, что в процессе проектирования изделия разработчик при использовании тех или иных конструкторских решений, должен учитывать и производственные возможности предприятия и технологии, в противном случае его решение может быть признано нецелесообразным.

Далее рассмотрим пример. Необходимо спроектировать (или заменить имеющуюся) деталь типа «Стрингер» и конструктору нужно выбрать профиль сечения из имеющихся: тавр, двутавр, уголок или Z-образный. Возникает ряд вопросов, на которые следует ответить. В каком агрегате будет монтироваться данная деталь? Какие нагрузки испытывает конструкция? Какая допустимая масса разрешена? Из какого материала должна быть изготовлена деталь? Профиль уникален или поставляется в соответствии с ОСТ и ГОСТ? Нужна ли технологическая оснастка? Необходимо ли дополнительное защитное покрытие? Есть ли производственные мощности для осуществления изготовления данной детали на предприятии или необходимо искать кооперантов? Сколько подобных деталей используется в изделии?

При наличии уже имеющихся прецедентов в системе, конструктору будет предложено аналогичное решение для разработки детали, в противном случае, он может провести ряд концептуальных экспериментов и оценить результат, приняв тем самым наиболее удачный результат.

Тот же принцип работает и при заимствовании готового решения из другой предметной области, однако здесь нужно более детально рассматривать параметры, ограничения или атрибуты данного прецедента. Заимствованный прецедент, как истина, заносится в систему с теми ограничениями и параметрами, которым отвечает решение, а на его основе порождается уже новый прецедент (на основе концептуальных экспериментов в системе) с корректировкой необходимых ограничений.

3.    ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К СИСТЕМЕПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ

Немаловажным является тот факт, что системы поддержки принятия решений должны самостоятельно контролировать и оптимизировать процесс разработки и производства изделия. Многие составляющие части таких систем уже существуют, но целостного решения в области автоматизации пока нет.

Следует также учитывать рыночные и конкурентные тенденции и требования к промышленным предприятиям, среди которых можно выделить следующие:

• -    нарастающую интенсивность конкуренции;

• -    интернационализацию рынков;

• -    сокращение ЖЦ продукции;

• -    растущее многообразие вариантов продукции, заканчивая индивидуальными заказами;

• -    высокая изменчивость спроса, повышенные требования к качеству продукции.

Основываясь на вышеизложенных требованиях, можно утверждать, что без модернизации и оптимизации имеющихся изделий, а также поиска принципиально новых решений, выдержать жесткую конкуренцию как на вну-трироссийском, так и на международном рынке невозможно. В этом случае как раз и полезно использовать систему с возможностью концептуального экспериментирования и поддержки принятия решений. Рассмотрим основные требования к данной системе:

• -    наличие базы опыта, представленного в виде моделей прецедентов, для возможности экспериментирования;

• -    наличия онтологических связей между всеми моделями (этапами) жизненного цикла;

• -    обеспечение оперативного изменения связанных параметров моделей прецедентов;

• -    обеспечение поиска готовых решений в соответствии с определенными ключами поиска, как «в глубину» так и «в ширину»;

• -    обеспечение создания новых решений (прецедентов) и экспериментирование с ними посредством ввода необходимых параметров, определенных разработчиком;

• -    возможность модернизации уже имеющихся решений;

• -    возможность заимствование готовых решений из других предметных областей и возможность экспериментирования с ними;

• -    обеспечение рейтинга решений;

• -    наличие нескольких онтологических словарей для обеспечения контролируемой лексики понятий, используемых при разработке изделия.

• -    использование знаний, связанных с конкретной предметной областью;

• -    приобретение знаний от эксперта;

• -    определение реальной и достаточно сложной задачи;

• -    наделение системы способностями эксперта.

По мнению ведущих специалистов, в недалекой перспективе такие системы найдут следующее применение: они будут играть ведущую роль во всех фазах проектирования, разработки, производства, распределения, продажи, поддержки и оказания услуг [11]. Знания о предметной области, необходимые для работы системы, определенным образом формализованы и представлены в памяти ЭВМ в виде базы знаний, которая может изменяться и дополняться в процессе развития системы. Главным достоинством можно выделить возможность накапливать знания, сохранять их длительное время, обновлять и тем самым обеспечивать относительную независимость конкретной организации от наличия в ней квалифицированных специалистов. Накопление знаний позволяет повышать квалификацию специалистов, работающих на предприятии, используя наилучшие, проверенные решения. [11]

Отдельно следует отметить необходимость формирование онтологических словарей (секций) онтологии, так как каждой модели будет соответствовать свой словарь, однако понятия в словарях могут пересекаться или иметь разный смысл.

Как было сказано выше, любой проект, безусловно, тесно связан с некоторой предметной областью. В свою очередь, предметная область включает в себя определенный набор понятий, между которыми существуют некоторые отношения (связи). В свою очередь, понятия могут быть классифицированы по определенным группам, которые отождествляют конкретные разделы предметной области. Статьи разделов содержат не только определения, но также ссылки на модели и ключи для поиска по оперативным запросам. Каждое понятие, как правило, имеет свое определение. Текстовое определение вводится, в первую очередь, для обозначения общих признаков прецедентов (или их группы), а также для поиска в Словаре онтологии. При формализации модели онтологии обычно выделяют основные словари терминов, и данные группы терминов отражают все производственные элементы, задействованные в процессе разработки и создания изделий. При этом для обеспечения гибкости производственной системы к меняющимся условиям онтология проектирования является открытой и расширяемой, для того чтобы в полной мере соответствовать требованиям авиационного производства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье авторами излагается метод создания системы поддержки принятия решений разработки авиационных изделий в условиях жизненного цикла на основе прецедентно-ориентированного метода. Более детальная проработка данного вопроса и реализация проекта на практике позволит экспериментировать с моделью изделия, осуществляя поиск более рациональных конструкторских, производственно-технологических и экономических решений для проектирования и изготовления, конкурентоспособных образцов авиационной техники.