Анализ, верификация и оптимизация проектных решений средствами САПР.

Основа для осуществления многообъектного технологического проектирования РЭС.

Решение задачи сокращения времени на техно­логическую подготовку производства и выпуск новых изделий, особенно малыми партиями, обес­печивает повышение их конкурентоспособности и даёт возможность оперативного реагирования на изменения потребительского спроса. Для решения этой задачи необходимо определить совокупность необходи­мых методов и средств образования маршрутов проектирования - последовательностей проектных операций и процедур, ведущих к достижению по­ставленной цели. При этом методы построения последовательностей проектирования определяют­ся типом проектных задач.

Основой для осуществления многообъектного технологического проектирования являются уже существующие рабочие производственные системы (РПС), ориентированные на выпуск своих производственных заданий (ПЗ) и имеющие фонд свободного времени своего технологического оборудования. Техноло­гическое оборудование, имеющее фонд свободно­го времени, является ресурсами производственных систем (ПС), необходимы­ми для функционирования виртуальных производственных систем (ВПС). На основе ин­формации о ресурсах ПС оперативно формируется конфигурация (возможно изменяющаяся во време­ни), максимально соответствующая требованиям выполняемых ПЗ.

Особенностью такого подхода является использование элементов интеллектуального управления, позволяющее принимать реше­ния по изменению конфигурации ВПС и формиро­ванию управляющей информации в реальном масштабе времени с минимальным участием чело­века-оператора.

Многообъектное технологическое проектиро­вание с интеллектуальным управлением в РПС включает в себя: методики проектирования техно­логических процессов, методику обеспечения це­леустремленной генерации возможных вариантов конфигурации ВПС, методику осуществления ве­рификации сгенерированных вариантов и отбора лучших, а также методику принятия решения, на основе которого осуществляется управление про­цессом конфигурирования ВПС во времени. В связи с тем, что принятие решения и формирова­ние на его основе управляющего воздействия осу­ществляется на основе сложных творческих про­цессов, управление должно строиться как интел­лектуальное.

Реализация идеи достигается за счёт формиро­вания ВПС рациональной конфигурации, позво­ляющей выполнять ПЗ в сроки, не превышающие заданные, но близкие к ним с минимальной себе­стоимостью. Такой подход обеспечивает отсутст­вие материальных перестроек при формировании ПС для выполнения ПЗ, минимальные затраты на хранение готовой продукции и минимальные объ­ёмы используемых ресурсов оперативных производственных систем (ОПС). Использование свободного технологического оборудования РПС, ориентированных на выполнение своих плановых технологических процессов, обеспечивает сущест­венное снижение времени и трудоёмкости техноло­гической подготовки производства.

На рис. 1 представлена структурная модель процесса определения конфигурации ВПС. Гене­рация вариантов осуществляется на основе эволюционного метода, использующего генетические алгоритмы.

Вопрос 10. Автоматизированные системы технологической подготовки производства. Основные положения.

Технологическая подготовка производства - следующий этап (после проектирования) в цикле разработки нового изделия.

Данный этап состоит в обеспечении технологической готовности предприятия к выпуску данного изделия, при соблюдении требований к качеству, срокам и объемам выпуска, а также с учетом запланированных затрат. Технологическая подготовка производства (ТПП) включает:

- обеспечение технологичности изделия (включая технологичность конструкции изделия и технологичность выполнения работ при его изготовлении, эксплуатации и ремонте);

- разработку и внедрение технологических процессов (механообработки, сборки, штамповки, литья, термообработки и др.) для изготовления деталей и узлов изделия;

- проектирование и изготовление необходимого нестандартного оборудо­вания и средств технологического оснащения (приспособлений, пресс-форм, штампов, специального режущего и мерительного инструмента);

- управление процессами ТПП.

Целью является: создание проекта технологического процесса (ТП), его технического обеспечения на основе проекта изделия. Информация, полученная на этом этапе должна отвечать на вопрос: как нужно изготавливать изделие, чтобы оптимизировать технико-экономические показатели, выпускающие это изделие. Данная информация создаёт нормативно-техническую базу данных, необходимых для организации управления предприятием. Поэтому от качества данных, полученных на данном этапе, в значительной степени зависит эффективность производства и качество продукции.

Проект технологического процесса разрабатывается как компромисс между требованиями конструкции изделия и возможностями производства. Поэтому уже на начальных этапах необходимо ввести отработку возможностей реализации в производственных условиях. Решения, принимаемые при проектировании тех. Процесса должны отражать не только специфику производственного процесса, но и прогнозировать производственно-технологические условия на производстве. Автоматизация подразумевает разработку управляющих программ оборудования, которое бы содержало результаты проектирования как самого изделия, так и ТПП.

Методологической основой создания систем автоматического проектирования является комплекс гос. стандартов, регламентирующих ЕСТПП. В стандартах содержатся общие правила и положения по организации научно-технологических разработок в области ТПП, приемки и передачи их в производство, правила разработки и совершенствования технологического проектирования.

Вопрос 11.Принципы и иерархия работ ТПП.

Технологическая подготовка производства – второй этап проектирования в цикле разработки нового изделия. Целью его является создание технологического процесса, его технического обеспечения на основе проекта изделия. Проект ТП разрабатывается как компромисс между требованиями к конструкции изделия, поэтому производится отработка конструкции на технологичность. Технологический процесс должен также учитывать производственно-технологические условия на производстве и прогнозировать их, т.к. это наиболее динамичная и подвергающаяся постоянным изменениям часть.

Методологической основой создания систем автоматического проектирования является комплекс гос. стандартов, регламентирующих ЕСТПП.

Иерархия задач ТПП:

1. Исходная информация.

Исходной информацией является ТУ к ТЗ на САПР, характеристики изделий, основные направления технологии в целом и по конкретным операциям, основные направления по оснащенности, данные по степени механизации, расходу материалов и т.п.

2. Предварительное проектирование.

На стадии предварительного проектирования производится перечня деталей, агрегатов, покупных изделий, полуфабрикатов и узлов, входящих в проектируемый объект, расчет графика проектирования, норм расхода материалов, предварительное нормирование изготовления деталей, узлов и т.п., расчет загрузки цехов и необходимых мощностей. Выходным технологическим документом служит конструкторско-технологическая спецификация – перечень деталей и узлов изделия, с указанием для каждой детали поцехового и операционного маршрута, нормы материала, размеры партии запуска, длительности цикла обработки и сборки в каждом цехе.

3. Укрупненное технологическое проектирование.

На стадии укрупненного технологического проектирования решаются задачи проектирования укрупненных маршрутных технологий, проектирования заготовок, карт сборки, укрупненного нормирования обработки, разработки типовых технологических документов, а также уточнение норм загрузки оборудования и расхода материалов, проектирование конструкций и технологии, изготовление оснастки.

Выходными документами на данном этапе являются маршрутная технологическая карта, схемы сборки изделия, расчет производственных площадей, чертежи оснащения и технические карты изготовления, перечень необходимой специальной измерительной аппаратуры.

4. Рабочее технологическое проектирование.

На стадии рабочего технологического проектирования решаются задачи проектирования операционных технологий, расчета режимов обработки, нормирования и расценки, применения групповых методов обработки.

Выходными документами являются конструкторские операционные технологические карты с эскизами, технологические инструкции, карты контроля, технологические условия на приемку операций и средства контроля.

Таким образом, основными задачами ТПП являются технологическая отработка конструкции изделия, проектирование и внедрение в производство процессов сборки, изготовления и контроля качества изделий, подготовка комплекта конструкторской документации по данным процессам, а также внедрение перспективных методов, режимов обработки и норм времени, передовых норм организации производства, автоматизированных систем управления технологическим процессом.

Вопрос 12. Комплексные интеллектуальные САПР для разработки современных конструкций и технологических процессов РЭС: Структура интеллектуальной системы. Разновидности интеллектуальных систем.

Ответ 1. Структура интеллектуальной системы.

С развитием компьютерных технологий менялся смысл, вкладываемый в понятие информационной системы. Современная информационная система — это набор информационных технологий, направленных на поддержку жизненного цикла информации и включающего три основных процесса: обработку данных, управление информацией и управление знаниями. В условиях резкого увеличения объёмов информации переход к работе со знаниями на основе искусственного интеллекта является единственной альтернативой информационного общества.

На рис. в наиболее общем виде представлена структура интеллектуальной системы в виде совокупности блоков и связей между ними.

База знаний представляет собой совокупность сред, хранящих знания различных типов. Рассмотрим кратко их назначение.

База фактов (данных) хранит конкретные данные, а база правил — элементарные выражения, называемые в теории искусственного интеллекта продукциями.

База процедур содержит прикладные программы, с помощью которых выполняются все необходимые преобразования и вычисления.

База закономерностей включает различные сведения, относящиеся к особенностям той среды, в которой действует система.

База метазнаний (база знаний о себе) содержит описание самой системы и способов ее функционирования: сведения о том, как внутри системы представляются единицы информации различного типа, как взаимодействуют различные компоненты системы, как было получено решение задачи.

База целей содержит целевые структуры, называемые сценариями, позволяющие организовать процессы движения от исходных фактов, правил, процедур к достижению той цели, которая поступила в систему от пользователя либо была сформулирована самой системой в процессе её деятельности в проблемной среде.

Управление всеми базами, входящими в базу знаний, и организацию их взаимодействия осуществляет система управления базами знаний. С её же помощью реализуются связи баз знаний с внешней средой. Таким образом, машина базы знаний осуществляет первую функцию интеллектуальной системы.

Выполнение второй функции обеспечивает часть интеллектуальной системы, называемая решателем и состоящая из ряда блоков, которые управляются системой управления решателя. Часть из блоков реализует логический вывод.

Блок дедуктивного вывода осуществляет в решателе дедуктивные рассуждения, с помощью которых из закономерностей из базы знаний, фактов из базы фактов и правил из базы правил выводятся новые факты. Кроме этого, данный блок реализует эвристические процедуры поиска решений задач, как поиск путей решения задачи по сценариям при заданной конечной цели. Для реализации рассуждений, которые не носят дедуктивного характера, т.е. для поиска по аналогии, по прецеденту и т.д., используются блоки индуктивного и правдоподобного выводов.

Блок планирования применяется в задачах планирования решений совместно с блоком дедуктивного вывода.

Назначение блока функциональных преобразований состоит в решении задач расчетно-логического и алгоритмического типов.

Ответ 2. Разновидности интеллектуальных систем.

В зависимости от набора компонентов, реализующих рассмотренные функции, можно выделить следующие основные разновидности интеллектуальных систем:

- интеллектуальные информационно-поисковые системы;

- экспертные системы (ЭС);

- расчетно-логические системы;

- гибридные экспертные системы.

Интеллектуальные информационно-поисковые системы являются системами взаимодействия с проблемно-ориентированными (фактографическими) базами данных на естественном, точнее, ограниченном как грамматически, так и лексически (профессиональной лексикой) естественном языке (языке деловой прозы). Для них характерно использование (помимо базы знаний, реализующей семантическую модель представления знаний о проблемной области) лингвистического процессора.

Экспертные системы являются одним из бурно развивающихся классов интеллектуальных систем. Данные системы в первую очередь стали создаваться в математически слабоформализованных областях науки и техники, таких, как медицина, геология, биология и другие. Для них характерна аккумуляция в системе знаний и правил рассуждений опытных специалистов в данной предметной области, а также наличие специальной системы объяснений.

Расчетно-логические системы позволяют решать управленческие и проектные задачи по их постановкам (описаниям) и исходным данным вне зависимости от сложности математических моделей этих задач. При этом конечному пользователю предоставляется возможность контролировать в режиме диалога все стадии вычислительного процесса. В общем случае, по описанию проблемы на языке предметной области обеспечивается автоматическое построение математической модели и автоматический синтез рабочих программ при формулировке функциональных задач из данной предметной области. Эти свойства реализуются благодаря наличию базы знаний в виде функциональной семантической сети и компонентов дедуктивного вывода и планирования.

В последнее время в специальный класс выделяются гибридные экспертные системы. Указанные системы должны вобрать в себя лучшие черты как экспертных, так и расчетно-логических и информационно-поисковых систем. Разработки в области гибридных экспертных систем находятся на начальном этапе.

Дополнительно: Какие функции выполняет интеллектуальная система?

Система называется интеллектуальной, если в ней реализованы следующие основные функции:

- накапливать знания об окружающем систему мире, классифицировать и оценивать их с точки зрения прагматической полезности и непротиворечивости, инициировать процессы получения новых знаний, осуществлять соотнесение новых знаний с ранее хранимыми;

- пополнять поступившие знания с помощью логического вывода, отражающего закономерности в окружающем систему мире в накопленных ею ранее знаниях, получать обобщённые знания на основе более частных знаний и логически планировать свою деятельность;

- общаться с человеком на языке, максимально приближённом к естественному человеческому языку;

- уметь формировать для себя или по просьбе человека (пользователя) объяснение собственной деятельности;

- оказывать пользователю помощь за счёт тех знаний, которые хранятся в памяти, и тех логических средств рассуждений, которые присущи системе».

Вопрос 13. Искусственный интеллект как основа повышения интеллектуальности подсистем проектирования. Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования.

Повышение интеллектуальности подсистем проектирования осуществляется путём использования эвристического программирования, экспертных систем, путем перехода от режима диалога к пакетному режиму более высокого уровня.

Объектом изучения искусственного интеллекта являются метапроцедуры, используемые при решении человеком задач, традиционно называемых интеллектуальными, или творческими. Но если психология мышления изучает эти метапроцедуры применительно к человеку, то искусственный интеллект создает программные (а сейчас уже и программно-аппаратные) модели таких метапроцедур.

Основными методами, используемыми в искусственном интеллекте, являются разного рода программные модели и средства, эксперименты на ЭВМ и теоретические модели. Однако современные ЭВМ уже мало удовлетворяют специалистов по искусственному интеллекту. Их конструкция не имеет ничего общего с тем, как устроен человеческий мозг. Поэтому идёт интенсивный поиск новых технических структур, которые будут способны лучше решать задачи, связанные с интеллектуальными процессами. Сюда относятся исследования по нейроподобным искусственным сетям, попытки построить молекулярные машины, работы в области голографических систем и многое другое.

Классические САПР используются в тех случаях, когда при проектировании изделий данного класса накоплен достаточный опыт. Интеллектуальные САПР необходимы проектировщикам тогда, когда отсутствуют достаточно проработанные методики проектирования или изделие принципиально новое и требует значительных затрат творческого труда.

Как и всякая другая система искусственного интеллекта,ИСАПР имеет в своем составе базу знаний,в которой хранится вся необходимая для её работы информация о предметной области,в которой решается задача проектирования. В этой базе знаний собран и тот опыт, который накоплен проектировщиками, и экспертная информация о возможных путях поискового конструирования — она опирается на методы моделирования рассуждений,типичные для специалистов, которые работают в данной области.

Общая схема ИСАПР может быть такой, как она показана на рис.

Рис. 1 Типовая САПР Рис.2 Интеллектуальная автоматизированная

нформационная система

Когда на вход системы поступает задание на проектирование, которое в ИСАПР может формулироваться на естественном профессиональном языке, оно с помощью естественно-языкового интерфейса и других диалоговых средств понимается системой, уточняется у пользователя и переводится в специальное внутреннее представление. После этого делается попытка свести процесс проектирования к стандартным процедурам, реализуемым в классических САПР. Если эта попытка оказывается безуспешной, то логический блок передаёт задачу на вход экспертной системы, ориентированной на решение задачи проектирования в данной предметной области. Взаимодействуя с базой знаний и САПР, экспертная система ищет решение задачи.

В процессе работы ИСАПР решаются все основные задачи технического проектирования.

1. Составляется обоснованное техническое задание — это внешнее проектирование.

2. Анализируется техническое задание — это внутреннее проектирование.

3. Проект планируется.

4. Повышается эффективность и качество инженерного анализа благодаря планированию вычислений и обучению пользователя владению пакетом прикладных программ. Проводится имитационное моделирование, выбираются численные методы расчёта, результаты контролируются.

5. Проверяется соответствие отраслевым стандартам.

6. Готовятся рабочие чертежи и документация и многие др.

Каждая из этих задач требует сложного программного и информационного обеспечения. Поэтому ИСАПР — это дорогостоящие и сложные системы, но без них вряд ли возможно создавать такие сложнейшие технические изделия, как современные самолёты или подводные лодки, атомные электростанции или космические корабли.

Вопрос 14. Экспертные системы в технологии как класс интеллектуальных систем. Структура экспертной системы.

Экспертной системой называют вычислительную систему использования знаний эксперта и процедур логического вывода для решения проблем, которые требуют проведения экспертизы и позволяют дать объяснение полученным результатам.

Название этих систем указывает на то, что они должны хранить в себе знания профессионалов-экспертов в некоторой предметной области. И не просто хранить, но и передавать их тем, у кого таких знаний нет. Для этого в экспертной системе предусмотрены не только простые средства общения между системой и специалистами, но и средства доведения хранимых в системе знаний до специалиста вместе с необходимыми пояснениями и разъяснениями.

ЭС обладает способностями к накоплению знаний, выдаче рекомендаций и объяснению полученных результатов, возможностями модификации правил, подсказки пропущенных экспертом условий, управления целью или данными.

В настоящее время можно выделить следующие основные сферы применения ЭС: диагностика, планирование, имитационное моделирование, предпроектное обследование предприятий, офисная деятельность, а также некоторые другие.

Наибольшее распространение ЭС получили в проектировании интегральных микросхем, в поиске неисправностей, в военных приложениях и автоматизации программирования.

Типичная ЭС состоит из следующих основных компонентов: решателя (интерпретатора), рабочей памяти (РП), называемой также базой данных (БД), базы знаний (БЗ), компонентов приобретения знаний, объяснительного и диалогового компонентов (рис.).

База данных предназначена для хранения исходных и промежуточных данных решаемой в текущий момент задачи. Этот термин совпадает по названию, но не по смыслу с термином, применяемым в информационно-поисковых системах (ИПС) и системах управления базами данных (СУБД) для обозначения всех данных (и в первую очередь не текущих, а долгосрочных), хранимых в системе.

База знаний в ЭС предназначена для хранения долгосрочных данных, описывающих рассматриваемую область (а не текущих данных), и правил, описывающих целесообразные преобразования данных этой области.

Рис. Типовая структура экспертной системы

Решатель, используя исходные данные из РП и знания из БЗ, формирует такую последовательность правил, которые, будучи применёнными к исходным данным, приводят к решению задачи.

Объяснительный компонент объясняет, как система получила решение задачи (или почему она не получила решения) и какие знания она при этом использовала, — это облегчает эксперту тестирование системы и повышает доверие пользователя к полученному результату.

Диалоговый компонент ориентирован на организацию общения со всеми категориями пользователей как в ходе решения задач, так и приобретения знаний, объяснения результатов работы.

Экспертная система работает в двух режимах: приобретения знаний и решения задач (называемом также режимом консультации или режимом использования ЭС).

После обработки данные поступают в РП. На основе входных данных в РП, общих данных о проблемной области и правил из БЗ решатель (интерпретатор) формирует решение задачи.

В отличие от традиционных программ ЭС в режиме решения задачи не только исполняет предписанную последовательность операций, но и предварительно формирует её. Если ответ ЭС не понятен пользователю, то он может потребовать объяснения, как ответ получен.

Вопрос 15. Эффективность применения САПР при проектировании конструкций и технологических процессов.

Внедрение информационных технологий сопряжено с капитальными вложениями, как на приобретение техники, так и на разработку проектов, выполнение подготовительных работ и подготовку кадров. Поэтому внедрению должно предшествовать экономическое обоснование целесообразности внедрения информационных систем (ИС). Это означает, что должна быть исчислена эффективность применения автоматизированных информационных технологий (АИТ).

Под эффективностью автоматизированного преобразования информации понимают целесообразность применения средств вычислительной и организационной техники при формировании, передаче и обработке данных. Различают расчётную и фактическую эффективность. Первичную (расчётную) определяют на стадии проектирования автоматизации информационных работ, т.е. разработки технорабочего проекта; вторую (фактическую) — по результатам внедрения технорабочего проекта.

Обобщённым критерием экономической эффективности является минимум затрат живого и овеществленного труда.

При этом установлено, что, чем больше участков управленческих работ автоматизировано, тем эффективнее используется техническое и программное обеспечение.

Экономический эффект от внедрения вычислительной и организационной техники подразделяют на прямой и косвенный.

Под прямой экономической эффективностью понимают экономию материально-трудовых ресурсов и денежных средств, полученную в результате сокращения численности управленческого персонала, фонда заработной платы, расхода основных и вспомогательных материалов вследствие автоматизации конкретных видов планово-учетных и аналитических работ.

Определяют экономическую эффективность с помощью трудовых и стоимостных показателей. Основным при расчётах является метод сопоставления данных базисного и отчётного периодов. В качестве базисного периода при переводе отдельных работ на автоматизацию принимают затраты на обработку информации до внедрения АИТ (при ручной обработке), а при совершенствовании действующей системы автоматизации экономических работ — затраты на обработку информации при достигнутом уровне автоматизации. При этом пользуются абсолютными и относительными показателями.

Например: на ручное выполнение следует затратить 100 чел/ч., а при использовании АИТ 5чел/ч. Тогда абсолютный показатель экономической эффективности Т_эф=Т₀-Т₁=100-5=95 чел/ч., тогда индекс производственности труда J_пр=Т₁/Т₀=0,05. Это значит, что для выполнения данной операции при автоматизации требуется по сравнению с ручной обработкой 5% времени. При выполнении операции в результате выполнения АИТ экономия составит 95%.

Наряду с трудовыми показателями необходимо высчитывать стоимостные показатели т.е. определять затраты на обработку информации при базисном и отчетном вариантах в денежном выражении.

Абсолютный показатель стоимости С_эк=С₀-С₁; J_пр=Т₁/Т₀ срок окупаемости затрат Т_ок=(З_т+З_п)*К_эф/(С₀-С₁), где З_т- затраты на техническое обеспечение, З_п- затраты на программное обеспечение, К_эф - коэффициент эффективности.

Дата добавления: 2015-07-19