Концепция CALS-технологий в сфере бытовых машин и приборов

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. CALS-технологии как интегрированное средство информационного сопровождения жизненного цикла бытовых машин и приборов

1.1 CALS-технологии: сущность, история, область применения, проблемы

1.2 Жизненный цикл изделия и его сопровождение

1.3 Общие положения о стандартах CALS-технологий, особенностях PDM и ИПИ-технологиях

1.3.1 Общие положения о стандартах CALS-технологий

1.3.2 Программное обеспечение CALS-технологий

1.3.3 Назначение и особенности PDM-технологии

1.3.4 Основные положения о стандарте STEP

1.4 Возможности, проблемы, цели и задачи информационной интегрированной поддержки ЖЦ бытовых машин и приборов в аспекте CALS-технологий ГЛАВА 2. Интегрированная логистическая поддержка жизненного цикла бытовых машин и приборов

2.1 Общие положения об интегрированной логистической поддержке жизненного цикла изделий

2.2 Интегрированная логистическая поддержка как метод оптимизации эффективности жизненного цикла изделия

2.3 Системы технического обслуживания, ремонта и информационная логистическая поддержка

2.4 Сервисные центры БМП как элемент интегрированного информационного пространства

2.4.1 Формы и содержание функционирования сервисных центров как элементов интегрированного информационного пространства бытовых машин и приборов ГЛАВА 3. Интерактивные Электронные Технические Руководства как средство интеграции процессов и участников жизненного цикла бытовых машин и приборов

3.1 Общие положения об интерактивных электронных технических руководствах на изделия, цели и задачи их создания для бытовых машин и приборов

3.2 Этапы создания интерактивных электронных технических руководств

3.3 Особенности использования программных решений для создания интерактивных электронных технических руководств

3.4 Особенности создания ИЭТР

3.4.1 Общая методика создания ИЭТР

3.5 Примеры реализации методологии создания ИЭТР БМП ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Приложение 1. Блок-схема алгоритма определения независимых переменных Приложение 2. Блок схема алгоритма нахождения уравнений критериев подобия функционирования подсистем Приложение 3. Блок-схема расчёта диагностируемых (проектируемых) значений переменных

Информационные технологии являются мощнейшим и важнейшим в современном мире инструментом решения задачи повышения конкурентоспособности изделий различного назначения посредством организации информационного, интегрированного сопровождения жизненного цикла этих изделий с целью формирования, обеспечения и подержания заданного качества их функционирования.

Современной концепцией, реализующей такой подход, является концепция CALS-технологий, т. е. концепция компьютерно-интегрированного производства, в основе которой лежит использование открытых архитектур, совместных хранилищ данных, апробированных программно-техниче-ских средств и международных стандартов. CALS (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) — принятая в большинстве промышленно развитых стран концепция информационной поддержки жизненного цикла продук-ции, основанная на использовании единого информационного простран-ства (интегрированной информационной среды), обеспечивающая едино-образные способы информационного взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков продукции (включая государственные учреждения и ведомства), поставщиков (производителей) продукции, эксплуатации-онного и ремонтного персонала. Эта концепция воплотилась в новый класс информационных технологий (CALS-технологий), поддерживаемых международными стандартами.

Концепция и стандарты CALS определяют набор правил и регламентов, в соответствии с которыми организуется информационное взаимодействие субъектов в процессах проектирования, производства, испытаний, эксплуатации, сервиса и т. д. Применение CALS-технологий, как концепция организации и информационной поддержки бизнес-деятельности, повышает эффективность процессов разработки, производства, послепродажного сервиса, эксплуатации изделий за счёт:

а) ускорения процессов разработки продукции и подготовки производства;

б) сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции; cals бытовой машина ремонт в) придания изделию новых свойств и повышения уровня сервиса в процессах его эксплуатации и технического обслуживания;

г) исключения дублирования информации и резкого сокращения количества ошибок в данных об изделии и производственных процессах.

В настоящее время в сфере сложной бытовой техники происходит структурная перестройка и интеграция форм организации её проектирования, производства, реализации, сервисного обслуживания и ремонта, расширение её номенклатуры за счёт отечественных и зарубежных образцов.

Поэтому разработка методов и средств повышения эффективности эксплуатации и конкурентоспособности как самой сложной бытовой техники, так и инфраструктуры обеспечения её жизненного цикла на основе информационных технологий весьма актуальная проблема.

Разработка таких методов и средств возможна на основе упомянутых CALS-технологий. Однако для реализации этой проблемы, наряду с привлечением, с учётом специфики сферы сложной бытовой техники, принципов, методов и средств CALS-технологий, необходима подготовка (переподготовка) кадрового потенциала этой сферы.

Подготовка в этом направлении студентов и специалистов позволит эффективно снабдить их знаниями, умениями и навыками в области CALS-технологий. Кроме того, образовательные учреждения смогут существенно повысить конкурентоспособность своих выпускников за счёт активного использования творческого потенциала учёных и производственников в учебном процессе.

ГЛАВА 1. CALS-ТЕХНОЛОГИИ КАК ИНТЕГРИРОВАННОЕ СРЕДСТВО ИНФОРМАЦИОННОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА БЫТОВЫХ МАШИН И ПРИБОРОВ

1.1 CALS-технологии: сущность, история, область применения, проблемы

В последние годы Россия стала на путь энергичного экономического развития. По оценкам экспертов, в ближайшие годы наша страна способна внедрить ряд макротехнологий и совершить мощный экономический рывок. Среди этих технологий ведущая роль принадлежит CALS-техноло-гиям.

CALS — Continuous Acquisition and Life-Cycle Support. Дословно аббревиатура CALS означает «непрерывность поставок продукции и поддержки её жизненного цикла». Первая часть определения CALS «подразумевает оптимизацию процессов взаимодействия заказчика и поставщика в ходе разработки, проектирования и производства продукции». Вторая часть определения заключается в «оптимизации процессов обслуживания, ремонта, снабжения запасными частями и модернизации», в том числе путём разработки и внедрения интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР).

Отмеченная проблема прямо или косвенно отражена в ряде правительственных документов, касающихся государственной политики России в области науки. К таким документам относятся «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации», «Перечень критических технологий Российской Федерации», утверждённых Президентом Российской Федерации (30 марта 2002 г., ПР № 578). Одним из приоритетных направлений исследований в рамках этих документов является направление «Информационная интеграция и системная поддержка жизненного цикла продукции (CALS-, CAD-, СAM-, CAE-тех-нологии).

Сегодня внедрение и широкое использование CALS-технологий — это обязательное условие развития отечественной промышленности и важнейшее требование промышленной политики. Это условие стабильного роста российской экономики, удвоения валового внутреннего продукта, вхождения страны в мировой интеграционный процесс.

CALS-технологии — это не только непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта, не просто система управления ресурсами предприятия, это передовая промышленная культура, которая превращает холдинги, систему управления отраслью, национальные проекты, всю экономику страны в единый высоко организованный механизм. Поэтому программа по внедрению CALS-технологий в нашей стране приобрела важное государственное значение. Она вошла в список приоритетных задач российской экономики и стала национальным проектом.

Экономическое развитие любой страны определяется её научными и технологическими преимуществами. В России сосредоточено почти 12% учёных всего мира, а её доля на мировом рынке высокотехнологичной продукции пока только около 1%. Можно ли доверять прогнозам экспертов, которые считают, что наша страна способна претендовать, по крайней мере, на 12−17% макротехнологий, включая CALS-технологии?

Да, инновационный фактор стал ключевым в развитии промышленности нашей страны. Причём, важно понять, что CALS — это ещё и стратегия управления, позволяющая коренным образом изменить структуру эко-номики за счёт инновационных методов развития. Благодаря внедрению CALS-стратегии на всех уровнях управления производством Россия сможет качественно перестроить свою промышленность согласно жёстким требованиям рынка, вернуть себе былую экономическую мощь, обеспечить заслуженное место среди сильных и развитых государств мира. Особенно это касается наукоёмких производств, где наша страна всегда была в числе лидеров.

Внедрением CALS-стратегии в нашей стране заняты государственные структуры и представители крупного бизнеса. Ещё в 2002 г. по инициативе Президента Российского союза промышленников и предпринимателей Аркадия Ивановича Вольского была образована Международная Ассоциация по проблемам CALS (МАСС). Она и по сей день занимается координацией развития CALS-технологий в наукоёмком производстве, в реальном секторе экономики в России и странах СНГ.

Особая роль в CALS-стратегии принадлежит государству. Осознание CALS-стратегии как основы государственной промышленной политики даёт реальные возможности управлять процессами реструктуризации производства, реформой промышленного развития. Для многих ключевых отраслей российской промышленности, например, таких как авиация и судостроение, CALS-технологии являются одним из главных условий выхода на новые мировые рынки, интеграции в мировую экономику. Сегодня каждый пoлнoцeнный прoдyкт должен иметь электронную документацию на основе единых международных стандартов.

Мировой и отечественный опыт свидетельствует, что без государственной поддержки широкое внедрение CALS-технологий невозможно. Для реализации CALS-стратегии нужна развитая научно-техническая инфраструктура: технико-внедренческие зоны, технопарки, венчурные фонды и, конечно, грамотные специалисты.

Развитие CALS-технологий поможет наладить государственно-частное партнёрство, основанное на принципиально новых, равноправных и «прозрачных» отношениях между бизнесом и государством. Успех внедрения CALS и в конечном итоге выход российской экономики на качественно новый уровень зависит от того, насколько слаженно государство и бизнес будут координировать свою деятельность.

В России CALS-стратегия внедряется с учётом специфики промышленных производств и накопленного научно-технического потенциала и технологического ресурса «оборонки».

Для внедрения CALS-решений в других сферах производства и потребления продукции требуется преодоление и учёт специфики, предварительное проведение реинжиниринга бизнес-процессов, реализуемых в этих сферах. Этому будет способствовать и продолжающаяся интенсивная компьютеризация предприятий и начавшаяся подготовка в России квалифицированных специалистов. Рынок CALS-продуктов и услуг в России находится в стадии становления, хотя в последние годы он развивается более интенсивно.

В России CALS-технологии ориентированы не только на ВПК. Они отлично работают и в гражданской сфере. Например, ОАО «РЖД» внедрило на российских железных дорогах АСУ, которая экономит отрасли несколько сотен миллионов рублей в год. Сократились сроки доставки грузов, простоя вагонов, значительно снизились убытки.

Популярность CALS-стратегии среди флагманов отечественной промышленности понятна. Эта стратегия весьма положительно влияет на основные показатели производства. Время проектирования наукоёмкой продукции сокращается от 50 до 70%. Существенно повышаются показатели качества. До минимума сокращаются ошибки в процессе организации поставок. Переход на стандарты CALS может решить и проблему борьбы с контрафактом.

Нет сомнений, что CALS-стратегия — это технология экономического прогресса. И систематизация знаний в области CALS-технологий приобретает важнейшее значение. Это особенно актуально сейчас, когда стратегическим элементом управления является государственная система информационного обеспечения промышленности.

Проблематика CALS имеет ряд аспектов. По аналогии с аспектами автоматизированного проектирования целесообразно эти аспекты называть видами обеспечения CALS и выделять лингвистическое, информационное, программное, математическое, методическое, техническое и организационное обеспечения CALS.

К лингвистическому обеспечению относятся языки и форматы данных о промышленных изделиях и процессах, используемые для представления и обмена информацией на этапах жизненного цикла изделий.

Информационное обеспечение составляют базы данных, в которых имеются сведения о промышленных изделиях, используемые разными системами в процессе проектирования, производства, эксплуатации и утилизации продукции. В состав информационного обеспечения входят также серии международных и национальных CALS-стандартов и спецификаций.

Программное обеспечение CALS представлено программными комплексами, предназначенными для поддержки единого информационного пространства этапов жизненного цикла изделий. Это прежде всего системы управления документами и документооборотом, управления проектными данными (PDM), взаимодействия предприятий в совместном электронном бизнесе (СРС), подготовки интерактивных электронных технических руководств и некоторые другие.

Математическое обеспечение CALS включает методы и алгоритмы создания и использования моделей взаимодействия различных систем в CALS-технологиях. Среди этих методов в первую очередь следует назвать методы имитационного моделирования сложных систем, методы планирования процессов и распределения ресурсов.

Методическое обеспечение CALS представлено методиками выполнения таких процессов, как параллельное (совмещённое) проектирование и производство, структурирование сложных объектов, их функциональное и информационное моделирование, объектно-ориентированное проектирование, создание онтологии приложений.

К техническому обеспечению CALS относят аппаратные средства получения, хранения, обработки и визуализации данных при информационном сопровождении изделий. Взаимодействие частей виртуальных предприятий, систем, поддерживающих разные этапы жизненного цикла изделий, происходит через линии передачи данных и сетевое коммутирующее оборудование.

Наконец, организационное обеспечение CALS представлено различного рода документами, совокупностью соглашений и инструкций, регламентирующих роли и обязанности участников жизненного цикла промышленных изделий.

В России осуществлён ряд мер, направленных на создание предпосылок к внедрению CALS-технологий в промышленности России.

Были созданы начальные элементы инфраструктуры, необходимой для разработки и внедрения CALS-технологий: Государственный научно-образовательный центр CALS-технологий, Научно-исследовательский центр (НИЦ) CALS-технологий «Прикладная логистика» и технический комитет ТК 431 Госстандарта России, координирующий разработку отечественной нормативной базы.

Подготовлены научно-методические разработки: концепция развития CALS-технологий в промышленности России [1], концепция интегрированной логистической поддержки наукоёмких изделий и концепция внедрения технологий на машиностроительном предприятии.

1.2 Жизненный цикл изделия и его сопровождение

В международных стандартах серии ISO 9004 (управление качеством продукции) введено понятие «Жизненный Цикл Изделия» (петля качества). Данное понятие включает в себя следующие этапы Жизненного Цикла Изделия: маркетинг, поиск и изучение рынка; проектирование и/или разработка технических требований к создаваемой продукции; материально-техническое снабжение; подготовка и разработка технологических процессов; производство; контроль, проведение испытаний и обследований; упаковка и хранение; реализация и/или распределение продукции; монтаж, эксплуатация; техническая помощь в обслуживании; утилизация после завершения использования продукции.

Рис. 1.1. Использование компьютерных систем для автоматизации жизненного цикла продукции Системы, указанные на рисунке 1.1, поддерживают следующие этапы и процедуры в жизненном цикле изделий:

*САЕ — Computer Aided Engineering (автоматизированные расчёты и анализ);

*CAD — Computer Aided Design (автоматизированное проектирование);

*САМ — Computer Aided Manufacturing (автоматизированная технологическая подготовка производства);

*PDM — Product Data Management (управление проектными данными);

*ERP — Enterprise Resource Planning (планирование и управление предприятием);

*MRP — 2 — Manufacturing (Material) Requirement Planning) (планирование производства);

*MES — Manufacturing Execution System (производственная исполнительная система);

*SCM — Supply Chain Management (управление цепочками поставок);

*CRM — Customer Relationship Management (управление взаимоотношениями с заказчиками);

*SCADA — Supervisory Control And Data Acquisition (диспетчерское управление производственными процессами);

*CNC — Computer Numerical Control (компьютерное числовое управление);

*S&SM — Sales and Service Management (управление продажами и обслуживанием);

*СРС — Collaborative Product Commerce (совместный электронный бизнес).

Современные системы автоматизированного проектирования (САПР), обеспечивающие сквозное проектирование сложных изделий или, по крайней мере, выполняющие большинство проектных процедур, имеют многомодульную структуру. Модули различаются своей ориентацией на те или иные проектные задачи применительно к тем или иным типам устройств и конструкций. При этом возникают естественные проблемы, связанные с построением общих баз данных, с выбором протоколов, форматов данных и интерфейсов разнородных подсистем, с организацией совместного использования модулей при групповой работе.

Эти проблемы усугубляются на предприятиях, производящих сложные изделия, в частности с механическими и радиоэлектронными подсистемами, поскольку САПР машиностроения и радиоэлектроники до недавнего времени развивались самостоятельно, в отрыве друг от друга.

Для решения проблем совместного функционирования компонентов САПР различного назначения разрабатываются системы управления проектными данными — системы PDM. Они либо входят в состав модулей конкретной САПР, либо имеют самостоятельное значение и могут работать совместно с разными САПР.

Уже на этапе проектирования требуются услуги системы SCM, иногда называемой системой управления поставками комплектующих (Component Supplier Management), которая на этапе производства обеспечивает поставки необходимых материалов и комплектующих.

Автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП), составляющие основу системы САМ, выполняют синтез технологических процессов и программ для оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), выбор технологического оборудования, инструмента, оснастки, расчёт норм времени и т. п. Модули системы САМ обычно входят в состав развитых САПР, и потому интегрированные САПР часто называют системами САЕ/CAD/САМ/PDM.

Функции управления на промышленных предприятиях выполняются автоматизированными системами на нескольких иерархических уровнях.

Автоматизацию управления на верхних уровнях от корпорации (производственных объединений предприятий) до цеха осуществляют автоматизированные системы управления предприятий (АСУП), классифицируемые как системы ERP или MRP-2.

Наиболее развитые системы ERP выполняют различные бизнес-функции, связанные с планированием производства, закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учётом основных фондов и т. п. Системы MRP ориентированы главным образом на бизнес-функции, непосредственно связанные с производством.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) контролируют и используют данные, характеризующие состояние технологического оборудования и протекание технологических процессов. Именно их чаще всего называют системами промышленной автоматизации.

Для выполнения диспетчерских функций (сбора и обработки данных о состоянии оборудования и технологических процессов) и разработки программного обеспечения для встроенного оборудования в состав АСУТП вводят систему SCADA. Для непосредственного программного управления технологическим оборудованием используют системы CNC на базе контроллеров (специализированных компьютеров, называемых промышленными), встроенных в технологическое оборудование.

На этапе реализации продукции выполняются функции управления отношениями с заказчиками и покупателями, проводится анализ рыночной ситуации, определяются перспективы спроса на планируемые к выпуску изделия. Эти задачи решаются с помощью системы CRM. Маркетинговые функции иногда возлагаются на систему S&SM, которая, кроме того, служит для решения проблем обслуживания.

На этапе эксплуатации применяются специализированные компьютерные системы, занятые вопросами ремонта, контроля, диагностики эксплуатируемых систем. Обслуживающий персонал использует интерактивные учебные пособия и технические руководства, а также средства для дистанционного консультирования при поиске неисправностей, программы для автоматизированного заказа деталей взамен отказавших.

Следует отметить, что функции некоторых автоматизированных систем часто перекрываются. В частности, это относится к системам ERP и MRP-2. Управление маркетингом может быть поручено как системе ERP, так и системе CRM или SGSМ.

На решение оперативных задач управления проектированием, производством и маркетингом ориентированы системы MES. Они близки по некоторым выполняемым функциям к системам ERP, PDM, SCM, SGSM и отличаются от них именно оперативностью, принятием решений в реальном времени, причём большое значение придаётся оптимизации этих решений с учётом текущей информации о состоянии оборудования и процессов.

Перечисленные автоматизированные системы могут работать автономно, и в настоящее время так обычно и происходит. Однако эффективность автоматизации будет заметно выше, если данные, генерируемые в одной из систем, будут доступны в других системах, поскольку принимаемые в них решения станут более обоснованными.

Чтобы достичь должного уровня взаимодействия промышленных автоматизированных систем, требуется создание единого информационного пространства не только на отдельных предприятиях, но и, что более важно, в рамках объединения предприятий. Единое информационное пространство обеспечивается благодаря унификации как формы, так и содержания информации о конкретных изделиях на различных этапах их жизненного цикла.

Унификация формы достигается использованием стандартных форматов и языков представления информации в межпрограммных обменах и при документировании.

Унификация содержания, понимаемая как однозначная правильная интерпретация данных о конкретном изделии на всех этапах его жизненного цикла, обеспечивается разработкой онтологии (метаописаний) приложений, закрепляемых в прикладных CALS-протоколах.

Унификация перечней и наименований сущностей, атрибутов и отношений в определённых предметных областях является основой для единого электронного описания изделия в CALS-пространстве.

1.3 Общие положения о стандартах CALS-технологий, особенностях PDM и ИПИ-технологиях

1.3.1 Общие положения о стандартах CALS-технологий

Центральное место в системе CALS-стандартов занимают стандарты, разработанные под эгидой ISO и получившие название STEP (Standart for the Exchange of Product data) и номер 10 303. Стандарты ISO 10 303 Product data representation and exchange определяют средства описания (моделирования) промышленных изделий на всех этапах их жизненного цикла.

Единообразная форма описаний данных о промышленной продукции обеспечивается введением в STEP языка Express, инвариантного к приложениям. В стандартах STEP использован ряд идей, ранее воплощённых в методиках информационного (IDEFIX) и функционального (IDEFO) проектирования. Но роль стандартов STEP не ограничивается введением только грамматики единого языка обмена данными. В рамках STEP предпринята попытка создания единых информационных моделей (онтологии) целого ряда приложений. Эти модели получили название прикладных протоколов.

Стандарт ISO 10 303 состоит из ряда документов (томов), в которых описаны основные принципы STEP, правила языка Express, даны методы его реализации, модели, ресурсы как общие для приложений, так и некоторые специальные (например, геометрические и топологические модели, описание материалов, процедуры черчения, метод конечно-элементного анализа и т. п.), прикладные протоколы, отражающие специфику моделей в конкретных предметных областях, методы тестирования моделей и объектов.

Удовлетворению требований создания открытых систем в STEP уделяется основное внимание — специальный раздел посвящён правилам написания файлов обмена данными между разными системами, созданными в рамках STEP-технологии.

Развитие CALS-технологий находит выражение в разработке серий стандартов ISO 13 584 Parts Library (сокращенно P-Lib), ISO 14 959 Parametrics, ISO 15 531 Manufacturing management data (Mandate), ISO 18 876 Integration of industrial data for exchange, access, and sharing (DDEAS), ISO 8879 Standard Generalized Markup Language (SGML).

Стандарты Parts Library содержат обзор и основные принципы представления данных о стандартных компонентах промышленных изделий. В этих стандартах представлены в виде библиотек данные о семействах таких типовых широко используемых компонентов изделий, как болты, подшипники, электронные компоненты и т. п., с целью использования этих данных в различных системах автоматизированного проектирования. В P-Lib содержатся также правила использования, интерфейса и модификации библиотечных описаний. Цель стандарта — обеспечить инвариантный для приложений механизм оперирования частями библиотеки.

Благодаря ISO 13 584 различные прикладные САПР могут разделять данные из обобщённых баз, беспрепятственно обмениваться данными о типовых компонентах. Описание библиотечных моделей даётся на языке Express. Для описания структуры частей, вводимых определений и других текстовых фрагментов используется язык SGML. Поведенческие модели электронных компонентов могут быть выражены с помощью языка VHDL.

Стандарты P-Lib состоят из нескольких частей. Часть 1 содержит обзор и основные принципы серии стандартов. Часть 10 посвящена концептуальной модели, а часть 24 — логической модели построения библиотек. Библиотеки могут компоноваться из данных от разных поставщиков. В части 26 определяются поставщики библиотек, в части 31 описан программный интерфейс. Описание методологии структуризации семейств содержится в части 42. Протоколам обмена посвящены части, начинающиеся с номера 101. Часть под номером 101 содержит протокол обмена геометрической параметризованной информацией; часть под номером 102 — протокол обмена согласованными со STEP данными.

Стандарты Parametrics введены в 1996 г. в связи с тем, что стандарты STEP в недостаточной мере учитывали особенности современных САПР, в которых широко используются параметризованные модели изделий и обмен параметризованными данными.

Рабочая группа ISO no Parametrics решает как краткосрочные, так и перспективные задачи. Первые из них касаются удовлетворения потребностей геометрического проектирования и машинной графики в сегодняшних САПР, в которых широко используются параметризованные модели. Вторые касаются попыток распространения идей параметризации на более ранние этапы проектирования и на более широкий круг моделей и процедур проектирования, имеющих не только геометрический характер.

Стандарты Mandate посвящены представлению данных, относящихся к функционированию предприятий, управлению территориально распределенными производственными системами, обмену данными о производстве с внешней для предприятия средой.

Том стандарта, обозначаемый ISO 15 531−21[15], содержит обзор и основные принципы представления данных о промышленной продукции. Содержание этого тома характеризуется следующими ключевыми словами: системы промышленной автоматизации и интеграция, промышленные данные, обмен данными об управлении производством, обмен данными с внешней средой.

Том ISO 15 531−31 посвящён обзору и основным принципам использования данных о производственных ресурсах. Приведены сведения, касающиеся модели, формы и атрибутов данных о производственных ресурсах, об управлении их применением.

Том ISO15531−41 содержит обзор и основные принципы управления потоками производственных данных.

Назначение стандарта ISO 18 876 «Integration of industrial data for Exchange, Access, and Sharing» — обеспечение информационного согласования приложений и взаимодействия организаций, использующих разные стандарты, интеграция данных и моделей, получаемых из различных источников, разрабатываемых в разных САПР. Предусматриваются возможности согласования моделей, выраженных с помощью разных языков моделирования и форматов, например, таких как SGML, XML, Express. Средства интеграции — специальные интеграционные модели и методы создания, распространения, обновления моделей, их связи с прикладными протоколами.

Две первые части стандарта ISO 18 876 представлены в 2000 г. Первая часть включает общее описание архитектуры системы интеграции и её компонентов. Вторая часть посвящена методологии интеграции. В дальнейшем предполагается развить архитектуру, распространив интеграционную модель на данные, управляемые в соответствии со стандартами STEP, P-Lib, Mandate, Oil & Gas. Предполагается, что это развитие приведёт к появлению языка EXIST (Expression of Information based on Set Theory), более совершенного, чем Express, учитывающего ряд свойств таких языков, как Unified Modelling Language (UML), Knowledge Interchange Format (KIF), XML и др. Язык EXIST позволит описывать интеграционные модели, которые будут выполнять роль метамоделей для прикладных моделей.

Оформление технической документации на создаваемые изделия в CALS-технологиях должно выполняться на основе языка разметки SGML (Standard Generalized Markup Language). Этот язык описан в семействе стандартов ISO 8879 и предназначен для унификации представления текстовой информации в автоматизированных системах.

Стандарт SGML устанавливает такие множества символов и правил для представления информации, которые позволяют различным системам правильно распознавать и идентифицировать эту информацию. Названные множества описывают в отдельной части документа, называемой таблицей определения типов DTD (Document Type Definition), которую передают вместе с основным SGML-документом. В DTD указывают соответствие символов и их кодов, максимальные длины используемых идентификаторов, способ представления ограничителей для тегов, другие возможные соглашения, синтаксис DTD, а также тип и версию документа. Следовательно, SGML можно назвать метаязыком для семейства конкретных языков разметки. В частности, подмножествами SGML можно считать языки разметки XML и HTML. При этом XML более удобен, чем SGML: легче воспринимается, приспособлен для использования в WWW (современных браузерах), сохраняет возможности SGML. Для конкретных приложений создаются свои варианты (словари) XML. Известны варианты для математики, химии, медицины. Для CALS интерес представляет вариант Product Definition exchange (PDX), посвящённый обмену данными.

Техническое описание в виде SGML-документа включает: 1) основной файл с техническим руководством, размеченный SGML-тегами; 2) описание сущностей, если документ относится к группе, в которой используются одни и те же сущности, и подразумевается их известность; 3) словарь для пояснения SGML-тегов; 4) DTD.

Для передачи и представления в технических руководствах 2D-векторной графики (схем, рисунков) можно использовать формат BMP, но более экономичен формат JPEG. Для 2D-чертежей (но не в САПР) в соответствии с американским стандартом MIL-PRF-28 003 рекомендуется использовать формат CGM (Computer Graphics Metafile), ранее введённый в ISO/IEC 8632. Растеризация выполняется в соответствии с рекомендацией MIL-PRF-28 002. Стандартный растровый формат — TIFF. Отметим, что документы MIL-PRF-28 000 и MIL-PRF-28 001 посвящены соответственно форматам IGES и SGML.

Для презентаций проектов и обучения персонала, занимающегося обслуживанием и эксплуатацией изделий, создаются технические руководства (IETM — Interactive Electronic Technical Manual или IЕТР — Interactive Electronic Technical Publication) и учебные пособия (ICW — Interactive Courseware). В них содержатся описания изделий, технологии эксплуатации, поясняются приёмы обслуживания, методы диагностики и ремонта. В частности, в технических руководствах должны быть сведения о планировании регламентных работ, типовых отказах, способах обнаружения неисправностей и замены неисправных компонентов, об испытательном оборудовании, о способах заказа материалов и запасных частей и т. п.

Эксплуатационные документы должны создаваться в соответствии с концепциями, развиваемыми в методологии CALS, что обеспечивает повышенные удобства и эффективность освоения и эксплуатации сложной техники. Концепция создания и сопровождения электронной эксплуатационной документации получила название технологии IETM или ИЭТР (интерактивных электронных технических руководств).

В CALS-технологиях к эксплуатационной документации IEТМ предъявляются повышенные требования. Это прежде всего представление документов в электронном виде, открытость пособий и руководств, т. е. их приспособленность к внесению изменений и конвертированию форматов, должная степень интерактивности и управления данными, адаптация учебного материала к конкретным запросам пользователей, малые затраты на создание документов для новых версий изделий.

В IETM-технологиях существует классификация документов. К клас-су 0 относятся обычные документы, переведённые в электронный вид (например, с помощью редактора Word) и предназначенные для архивации. К классу 1 относятся документы, части которых индексированы и доступны по ссылкам из оглавления. Документы класса 2 — это файлы в коде ASCII, внутри которых применена разметка с помощью тегов, что позволяет осуществлять навигацию внутри пособия. Документы класса 3 отличаются тем, что в них применена разметка с помощью языка SGML.

Документы классов 0−3 являются линейными в том смысле, что в них, как и в обычных бумажных пособиях, материал излагается последовательно страница за страницей. В отличие от них документы класса 4 имеют не линейную, а иерархическую структуру и предназначены для интерактивных презентаций. Развитие класса 4 в направлении увеличения степени интеллектуализации приводит к классу 5, в котором имеются средства формирования версий пособий, адаптированных к запросам и уровню подготовленности пользователя.

В IEТМ-технологиях используется ряд стандартов. Кроме стандарта ISO 8879 (SGML) находят применение стандарт ISO 10 744 (НуTime — Hypermedia / Time-based Document Structuring Language), спецификации MIL-87 268…87 270 и др. Так, документ MIL-M-87 268 (Interactive Electronic Technical Manual Content) определяет общие требования к содержанию, стилю, формату и средствам диалогового общения пользователя с интерактивными электронными техническими руководствами. В спецификации MIL-D-87 269 содержатся требования к базам данных для интерактивных электронных технических руководств и справочников, описаны методы представления структуры и состава промышленного изделия и его компонентов на языке SGML, даны шаблоны документов на составные части технической документации, перечислены типовые элементы документов.

Спецификация АЕСМА 1000D (базовый международный стандарт подготовки технических публикаций) — это изложение технологии представления технической документации, признанное в авиационной промышленности (АЕСМА — European Association of Aerospace Constructors). В основе АЕСМА 1000D, как и в старших классах IETM, лежит декомпозиция представляемого материала на модули. Модули включают идентификационную и содержательную секции, записанные на языках SGML или HyTime с иллюстрациями в форматах CGM или JPEG, и хранятся в специальной базе данных — Common Source Data Base (CSDB). Предусмотрена автоматическая простановка гиперссылок (для этого имеются соответствующие программные средства).

Для унификации структуры документов и правил деловой переписки, прежде всего в торговых операциях, Организация Объединённых Наций приняла в 1986 г. спецификации EDDFACT (Electronic Data Interchange For Administration, Commerce and Transport). Это международный стандарт для представления и обмена электронными данными, сгруппированными в сегменты, смысл которых частично описан в стандарте, но может быть обусловлен договорённостью между партнёрами.

1.3.2 Программное обеспечение CALS-технологий

Программное обеспечение CALS-технологий должно выполнять те функции, которые обеспечивают создание и поддержку интегрирующей информационной среды для промышленных автоматизированных систем.

Во-первых, это функции управления данными, разделяемыми разными автоматизированными системами и подсистемами на этапах жизненного цикла изделий. Эти функции в настоящее время выполняют системы управления проектными данными PDM (Product Data Management).

Во-вторых, это функции управления данными и программами в распределённой сетевой среде. Эти функции реализуются в технологиях распределённых вычислений, таких как удалённый вызов процедур RPC, архитектура на основе посредников объектных запросов CORBA, объектная модель COM/DCOM и др. На базе COM/DCOM фирма Microsoft развивает совокупность средств под названием DNA-архитектура (Distributed INTERNET Application). Эти средства включают целую гамму инструментов, таких как ActiveX, HTML, SQL Server, OLE и др. Применительно к промышленным приложениям эта архитектура получила название DNA for Manufacturing (DNA-M). Использование DNA-M позволяет разработчикам CALS-средств сконцентрировать усилия на решении специфичных задач и не тратить время на реализацию взаимодействия в сетевой среде. Особенно важную роль DNA-M сыграет в интеграции нижних уровней управления производством с системами ERP.

В-третьих, к программному обеспечению CALS-технологий следует отнести многочисленные средства поддержки моделирования и обмена данными с использованием языка Express, которые можно объединить под названием STEP-средств (STEP Tools). К STEP-средствам относятся редакторы, компиляторы, визуализаторы, анализаторы, конверторы и т. п., связанные с языком Express. Редакторы помогают синтезировать и корректировать Express-модели. Анализаторы служат для синтаксического анализа и выявления ошибок, допущенных при написании модели. Анализатор входит в состав компилятора, который после анализа осуществляет трансляцию Express-моделей в ту или иную требуемую языковую форму. Визуализаторы генерируют графические представления моделей на языке Express-G. Конверторы используются для преобразования Express-моделей на основе языка Express-X. Примерами STEP-средств могут служить продукты компаний STEP Tools, EPM Technology AS, TNO и др.

Например, с помощью программ ST-Developer компании STEP Tools реализуют SDAI-интерфейс на языках С, C++, Java, IDL/Corba, интерфейс Express-моделей к SQL базам данных и графическому ядру ACIS машиностроительных CAD-систем, осуществляют тестирование Express-моделей, генерируют модели на языке Express-G.

Ряд STEP-средств предлагает Национальный институт стандартов и технологий США (NIST). Это средства оперирования обменными файлами и Express-моделями, трансляции моделей в C++ и IDL представления.

Компания Rational Rose предлагает транслятор Express-моделей в UML-представление.

Программные средства компании EPM Technology AS характеризуются разнообразием выполняемых функций. Так, программа EDMdeveloperSeat поддерживает базу данных с Express-моделями, EDMvisualExpress осуществляет визуализацию моделей с помощью расширения языка Express-G, EDMmodelChecker служит для диагностики допущенных нарушений правил языка Express.

Технологии распределённых вычислений и их программное обеспечение используются, но не являются специфичными в CALS-приложениях. Поэтому основными компонентами программного обеспечения CALS являются системы PDM.

Системы PDM предназначены преимущественно для информационного обеспечения проектирования — упорядочения информации о проекте, управления соответствующими документами, включая спецификации и другие виды представления данных, обеспечения доступа к данным по различным атрибутам, навигации по иерархической структуре проекта. В ряде систем PDM поддерживаются информационные связи не только внутри САПР, но и с производственной и маркетинговой документацией. Аналогичные системы, в большей мере ориентированные на управление информацией в системах типа ERP, SCM, CRM и т. п., часто называют системами EDM (Enterprise Data Management).

В последнее время усилия многих компаний, производящих программно-аппаратные средства автоматизированных систем, направлены на создание систем электронного бизнеса (E-commerce). В основе развитых систем E-commerce лежит управление данными на протяжении всего жизненного цикла изделий, т. е. CALS-технологии, средства PDM и СРС.

Среди систем E-commerce различают системы В2С и В2 В.

Система В2С (Business-to-Customer) предназначена для автоматизации процедур взаимоотношений предприятия с конечными потребителями его продукции, чаще всего это взаимоотношения юридического лица с физическими лицами (покупателями товаров).

Но значимость систем E-commerce отнюдь не определяется организацией электронной торговли путём размещения на сайтах сети Internet витрин товаров и услуг. Цель электронного бизнеса заключается в объединении в едином информационном пространстве информации, во-первых, о возможностях множества организаций, специализирующихся на предоставлении различных услуг и на выполнении тех или иных процедур и операций по проектированию и изготовлению заказанных изделий, во-вторых, о запросах на использование этих услуг и заказах на поставки изделий и полуфабрикатов. В отличие от В2С такие системы E-commerce называют системами В2 В (Business-to-Business). Эти системы автоматизируют процедуры взаимодействия юридических лиц друг с другом, более конкретно, системы В2 В автоматизируют процессы обмена информацией между компаниями-партнёрами.

Возникает задача создания единого информационного пространства, в котором функционируют автоматизированные системы управления взаимодействующих предприятий. Как сказано выше, системы управления данными в интегрированном информационном пространстве называют системами СРС.

Технология интегрированного информационного пространства и управления данными СРС — это технология взаимодействия производителей, поставщиков и покупателей на различных этапах жизненного цикла изделий, направленная на оптимальное удовлетворение потребностей заказчиков в продукции и услугах. Благодаря более высокой степени специализации предприятий, проектированию под заказ, комплексному учёту затрат на проектирование, изготовление, доставку продуктов можно минимизировать временные и финансовые затраты при высоком качестве изделий. Чтобы использовать эти возможности, требуются специальные сис-темы СРС, главное назначение которых — обеспечивать информационную согласованность действий всех участников процесса создания продукции. В СРС учитывается, что число участников в цепи поставок может быть весьма значительным, причём состав участников непостоянен, а определяется исходя из конкретных задач и условий. Для эффективного управления процессами на протяжении всего жизненного цикла изделий все участники должны пользоваться исчерпывающе полными и доступными для правильного восприятия и интерпретации данными.

Системы СРС интегрируют функции таких систем, как SCM, CRM, а также часть функций систем PDM, CAD/CAM и ERP.

В большинстве автоматизированных систем для обменов данными внутри системы используют те или иные форматы, или не являющиеся унифицированными, или признанные в ряде систем лишь как стандарты де-факто. Языки типа Express используют для межсистемных обменов и представления многократно используемых данных в общих базах данных, для выполнения роли внутренних форматов они неудобны. Поэтому в прикладные автоматизированные системы для связей с общей информационной CALS-средой должны быть включены конверторы для взаимных преобразований внутренних форматов данных в STEP-форматы, которые также относят к программному обеспечению CALS-технологий.

В PDM разнообразие типов проектных данных поддерживается их классификацией и соответствующим выделением групп с характерными множествами атрибутов. Такими группами данных являются аспекты описания, т. е. описания изделий с различных точек зрения. Для большинства САПР в машиностроении характерными аспектами являются свойства компонентов и сборок (эти сведения называют Bill of Materials — BOM), модели и их документальное выражение (основными примерами могут служить чертежи, 3D модели визуализации, текстовые описания), структура изделий, отражающая взаимосвязи между компонентами и сборками и их описаниями в разных группах.

Вследствие большого объёма проектных данных и наличия ряда версий проектов PDM должна обладать развитой системой поиска нужных данных по различным критериям.

К программному обеспечению CALS относят также программы подготовки IETM.

1.3.3 Назначение и особенности PDM-технологии

Назначение PDM-технологии

PDM-система, как было отмечено ранее, должна быть рабочей средой пользователя, то есть любого сотрудника предприятия. Это означает, что человек в процессе своей работы постоянно находится в PDM-системе, а система, в свою очередь, обеспечивает его потребности, начиная от просмотра спецификации узла, твердотельной модели детали или утверждением изменений детали начальником. При необходимости PDM пользуется помощью других систем (например, САПР), самостоятельно определяя, какое именно внешнее приложение необходимо запустить для обработки той или иной информации.

Обязанность сделать PDM-систему рабочей средой сотрудника требует от производителей наличия интуитивно понятного и уже привычного пользовательского интерфейса. В частности, фирма РТС Windchill переходит к использованию в качестве интерфейса обычного web-браузера, a EDC разрабатывает пользовательский интерфейс системы MAN, аналогичный встроенной в ОС Windows программе «Проводник».

Типичными пользователями первых PDM-систем были только конструкторы. Применение новых информационных технологий, в том числе web-браузеров, позволило предоставить доступ к информации об изделии всем служащим предприятия и его партнёров. Таким образом, теперь пользователями PDM наряду с конструкторами, технологами, менеджерами проектов и администраторами являются также сотрудники, работающие в других предметных областях (продажи, маркетинг, снабжение, поставки, финансы, сервис, эксплуатация и т. п.).

PDM-система улучшает коммуникации и взаимодействие между различными группами служащих и формирует на предприятии основу для реорганизации процесса проектирования и производства изделия и внедрения параллельного проектирования и междисциплинарных рабочих групп. Они включают в себя специалистов в различных предметных областях, чья совместная работа значительно повышает качество проекта. Например, технологи могут начинать изучение конструкции изделия и высказывать свои предложения по ней задолго до того, как продукт формально будет передан на технологическую подготовку.

Благодаря расширению функций PDM-систем за пределы проектирования, сотрудники, ранее не участвовавшие в начальных стадиях ЖЦ, теперь могут внести свой вклад в проектирование и разработку изделия, что является главной целью параллельного проектирования.

Основные функции PDM-технологий Основным преимуществом PDM-системы перед бумажным документооборотом является чёткое управление предоставлением данных об изделии и их циркуляцией между участниками проекта.

Ниже приведён классический перечень функций PDM-системы:

— управление хранением данных и документов;

— управление процессами;

— управление структурой изделия;

— классификация;

— календарное планирование.

Кроме того, PDM-система должна обладать рядом вспомогательных функций, обеспечивающих её взаимодействие с другими программными средствами и пользователями, а также работу пользователей друг с другом. Все группы функций PDM-системы далее будут рассмотрены более подробно.

Управление хранением данных и документов

В PDM-системе применяются два основных способа хранения данных: либо в виде объектов, обладающих определённым набором значений свойств (например, объектом может быть деталь, а его свойствами — длина, ширина, высота и т. п.), либо как целостные документы, содержащие необходимые данные (например, файл САПР). В то же время документ сам является имеющим определённые свойства объектом в системе. Хранение всех объектов и документов организовано посредством каталогов или папок аналогично файловой системе компьютера. При этом документы могут храниться как самостоятельно, так и привязанными к другому объекту системы (например, к детали). В идеальном варианте в PDM-системе они являются электронными, т. е. снабжены электронной подписью и имеют юридическую силу.

Основным принципом PDM является однократность хранения данных (без логической избыточности) в защищённой системе, называемой хранилищем данных. Копии эталонных данных из хранилища могут свободно распространяться среди пользователей в различных отделах для разработки, анализа или утверждения. По окончании этих процессов новые сведения заносятся в хранилище. При изменении данных их очередная редакция, сопровождаемая подписью и датой, помещается в хранилище и существует наряду со старой, которая в любом случае остаётся там в своей первоначальной форме. Хранилище данных должно обеспечивать авторизацию доступа, поиск информации, целостность данных, а также архивирование, резервное копирование и восстановление данных.