ВВЕДЕНИЕ
Современные условия характеризуются все более жесткой конкуренцией на международном рынке, повышением сложности и наукоемкости продукции, что ставит перед промышленниками и предпринимателями страны новые проблемы. К их числу относятся:
• критичность времени, требующегося для создания изделия и организации его продажи;
• снижение всех видов затрат, связанных с созданием и сопровождением изделия;
• повышение качества процессов проектирования и производства;
• обеспечение гибкого и надежного эксплуатационного обслуживания.
Действенным средством решения этих проблем в последнее десятилетие выступают новые информационные CALS-технологии сквозной поддержки сложной наукоемкой продукции на всех этапах ее жизненного цикла (ЖЦ) от маркетинга до утилизации. Базирующиеся на стандартизованном едином электронном представлении данных и коллективном доступе к ним, эти технологии позволяют существенно упростить выполнение этапов ЖЦ продукта и повысить производительность труда, согласно западному опыту, примерно на 30%, автоматически обеспечить заданное качество продукции.
За рубежом работы по созданию и внедрению CALS-технологий ведутся более 25 лет. В этом направлении достигнуты существенные результаты. CALS-технологии в настоящее время рассматриваются как выгодная глобальная экономическая стратегия во всех отраслях промышленности. Работы ведутся во всех ведущих индустриальных странах, создаются международные кооперации производителей сходных видов продукции, так называемые «виртуальные» предприятия, объединяющие поставщиков, производителей и потребителей продукции.
Впервые элементы CALS-технологий начали применяться в середине 80-х годов при взаимодействии Министерства обороны США со своими поставщиками, когда была поставлена задача перевести все операции с ними в электронный вид. Впоследствии сфера применения CALS-технологий расширилась до всего жизненного цикла изделия и вышла за пределы военных ведомств. Несмотря на это, наиболее передовыми пользователями CALS-технологии все же являются военные разработчики. Например, с помощью CALS-технологий были созданы истребитель F-22 (США), подводная лодка Viking (Дания, Норвегия и Швеция), самоходная гаубица Crusader (США). Во всех этих проектах делалась попытка организовать полномасштабное единое информационное пространство для всех участников жизненного цикла изделия. В области гражданского внедрения CALS-технологий в мире и в России лидируют аэрокосмическая и атомная промышленности, автомобиле- и судостроение.
В России подобные работы начались в середине 90-х годов, на рубеже столетий при Госстандарте был создан комитет № 431, координирующий работы по CALS-технологиям; создан НИЦ CALS-технологий «Прикладная логистика»; разработана программа стандартизации в сфере CALS-технологий в 2000 - 2003 годах; в авиастроении, судостроении, оборонной промышленности реализуются пилотные проекты по внедрению CALS-технологий. В нашей стране среди пионеров внедрения CALS — АВПК «Сухой», ОАО «Туполев», Конструкторское бюро приборостроения (Тула), Воронежский механический завод. Эти проекты поддерживаются Минпромнауки РФ, Минатомом РФ. Тем не менее, для нормального внедрения CALS в России необходимы переподготовка специалистов предприятий, подготовка специалистов в вузах и т. п.
В настоящее время CALS-технологии в России рассматриваются как средство интеграции в мировую экономику, как важный инструмент реструктуризации оборонной промышленности, судостроения, авиастроения и других отраслей, коренным образом упрощающий внутреннюю и международную промышленную кооперацию, повышающий привлекательность и конкурентоспособность промышленных изделий, обеспечивающий качество продукции, ускорение взаиморасчетов поставщиков и потребителей, совершенствование организации управления на конверсируемых и реформируемых предприятиях. Примерная цена внедрения CALS-технологий на отечественных предприятиях — от 50 до 900 тыс. долл. При этом реализация уже начального этапа дает существенный эффект за счет сокращения времени выхода изделия на рынок, повышения качества изделия, удовлетворения требований заказчика.
Отставание с внедрением CALS-технологий сделает для предприятий невозможным участие в международной кооперации, негативно отразится на конкурентоспособности и привлекательности производимой продукции, послужит причиной потери определенных сегментов рынка.
1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ CALS-технологий
Впервые концепция CALS возникла в середине 70-х годов в оборонном комплексе США в связи с необходимостью повышения эффективности управления и сокращения затрат на информационное взаимодействие в процессах заказа, поставок и эксплуатации средств вооружения и военной техники. Движущей силой явилась естественная потребность в организации «единого информационного пространства», обеспечивающего оперативный обмен данными между заказчиком (федеральными органами), производителями и потребителями военной техники. Данная концепция изначально
базировалась на идеологии ЖЦ продукта и охватывала фазы производства и эксплуатации. На первоначальном этапе аббревиатура CALS расшифровывалась как Computer Aided Logistic Support
- компьютерная поддержка поставок. Предметом CALS
являлась безбумажная технология взаимодействия между организациями, заказывающими, производящими и эксплуатирующими военную технику, а также формат представления соответствующих данных.
CALS базировалась на результатах реализации программы Integrated Computer-Aided Manufacturing (ICAM) – программы интегрированной компьютеризации производства, реализованной в Министерстве обороны США. Цель этой программы состояла в повышении эффективности производства посредством применения компьютерных информационных технологий. Комплексное применение этих технологий в рамках программы ICAM потребовало унификации и стандартизации методов описания и анализа организационных и производственных систем
. На основе уже имевшихся технологий структурированного анализа и проектирования систем SADT (Structural Analisis and Design Technology)
было разработано семейство (более десяти) методов IDEF (I
ntegrated DEF
inition), ряд из которых был принят в качестве федеральных стандартов, а метод функционального моделирования IDEF0 принят в качестве стандарта CALS.
CALS-технологии, доказав свою эффективность, перестали быть прерогативой военного ведомства и начали активно применяться в промышленности, строительстве, транспорте и других отраслях экономики, расширяясь и охватывая все этапы жизненного цикла продукта. Новая концепция сохранила аббревиатуру CALS, но получила более широкую трактовку Continuous Acquisition and Life Cycle Support – непрерывная поддержка ЖЦ продукта (изделия). Таким образом, возникшая в Министерстве обороны США идея, связанная с единой информационной поддержкой логистических систем, быстро превратилась в глобальную бизнес-стратегию перехода на безбумажную электронную технологию работы, повышения эффективности бизнес-процессов, выполняемых в ходе ЖЦ продукта, за счет информационной интеграции и совместного использования информации на всех его этапах.
В 1987 году по инициативе 1100 ведущих представителей промышленности США был создан Американский Промышленный Управляющий Комитет в области CALS для координации работы различных организаций США в области CALS.
Работы по внедрению CALS-технологий велись в 2 этапа. На первом этапе
(рубеж 90-х годов) основное внимание уделялось представлению в электронном виде технической документации. На этом же этапе была определена технология представления технической и конструкторско - технологической документации в так называемом «нейтральном» электронном формате. На втором этапе
(начало 90-х годов), в рамках всемирного консорциума 25 ведущих технических организаций США, было достигнуто соглашение об использовании нового «нейтрального» стандарта описания данных ISO 10303 (STEP- St
andart for the E
xchange of P
roduct Model Data). Сразу же после разработки стандарта STEP была начата разработка стандартов ISO 13584 (PLIB), ISO 15531 (MANDATЕ), предназначенных для описания и представления информации о компонентах и комплектующих изделия, производственно-эксплуатационной среды и обмена данными, которые имеют общую со STEP структуру и технологию построения. Эти стандарты заложили основу CALS-технологий.
В 1995 году в США был заключен меморандум по общему пониманию и кооперации в использовании стандарта нового поколения ISO 10303 (STEP). В меморандуме отмечено, что новый стандарт является ключевой технологией описания данных об изделии для мирового рынка. Этот стандарт обеспечивает описание физических и функциональных параметров изделия на протяжении всего его жизненного цикла. Меморандум, подписанный руководителями главных аэрокосмических компаний США, содержит обязательство участников использовать STEP в реализации CALS. Он подталкивает поставщиков, других участников аэрокосмической отрасли и продавцов ее технических систем к участию в разработке и внедрении STEP-технологии. В меморандуме указывается, что в настоящее время различные компании нуждаются в эффективном обмене информацией с их партнерами, заказчиками и поставщиками во всем мире. Для того, чтобы сохранить конкурентоспособность на мировом рынке, эти компании должны быть уверены, что обмен является совместимым, точным и своевременным
. Используя эти международные стандарты, компании устраняют существовавшие при обмене информацией барьеры, что позволяет обеспечить максимальную гибкость при конструировании, производстве и логистической поддержке (поддержке поставок) продукции. Использование международных стандартов STEP дает возможность этим аэрокосмическим компаниям (и компаниям других отраслей) достигнуть новых, более высоких показателей качества и производительности, снижения стоимости продукции и сокращения времени выхода ее на рынок. Характерно, что рассматриваемый меморандум, заключенный главными аэрокосмическими компаниями, аналогичен с международным меморандумом автомобилестроительных компаний.
Аналогичные комитеты и, соответственно, проекты в области CALS были созданы и развернуты в других странах
. Так, например, в Великобритании CALS стала известна с 1988 года. В 1991 году был сформирован Промышленный Совет Великобритании в области CALS. С 1993 года департамент торговли и промышленности Великобритании начал содействовать развитию CALS. В том же году было выпущено руководство по внедрению CALS.
Свою задачу Промышленный Совет видит в продвижении и поддержке наилучших методов реорганизации предпринимательской деятельности так, чтобы компании Великобритании могли пользоваться преимуществами электронного обмена информацией. Самыми первыми предприятиями, начавшими применение CALS, являются: аэрокосмический комплекс, военно-промышленный комплекс, крупные нефтяные и нефтеперерабатывающие компании. Самыми первыми проектами в области CALS в Великобритании были проекты, связанные с организацией цепных поставок между «первопроходцами» в области CALS.
В Европе CALS также нашла достаточно широкое распространение.
Cоздана Европейская Промышленная Группа в области CALS, созданы и создаются национальные программы по CALS, а также отдельные проекты по CALS, например такие, как PROSTEP, PISTEP.
НАТО уделяет значительное внимание вопросам CALS
. Ведомство по вопросам CALS в структуре НАТО создано в 1994 году. В рамках данного ведомства осуществляются исследования, охватывающие: технические стандарты, функциональные мета модели, сетевую инфраструктуру, анализ рентабельности, принципы электронной коммерции, правовые вопросы и контрактное право.
Внедрение CALS набирает темпы и в Тихоокеанском регионе
. Так, например, Промышленный Форум по CALS в Японии был создан в мае 1995 года. В рамках Промышленного Форума осуществляются различные проекты в области CALS. Два из них оцениваются особенно высокой вероятностью их реализации:
- национальный проект N-CALS (ассигнования 35.3 млн. долларов за три года);
- международный проект МАТ1С (ассигнования 17.7 млн. долларов за три года).
В международном проекте МАТ1С участвуют Сингапур, Малайзия, Индонезия, Таиланд, Китай и Япония.
В настоящее время в мире действует более 25 национальных организаций, координирующих вопросы развития CALS-технологий, в том числе в США, Канаде, Японии, Великобритании, Германии, Швеции, Норвегии, Австралии, а также в рамках НАТО.
В России,
хотя и с некоторым отставанием во времени от передовых индустриальных стран, начиная с середины 90-х годов, на CALS начинают обращать свое внимание специалисты различных отраслей промышленности. Создан Межведомственный Промышленный Совет по вопросам CALS при Миноборонпроме РФ. Его основными целями являются:
- развитие российской индустриальной инфраструктуры по поддержке эффективных связей и взаимного обмена между предприятиями при реализации стратегии CALS ;
- поддержка согласованных работ в области CALS по интеграции предприятий в целях повышения их эффективности и производительности;
- устранение возможных барьеров в процессе интеграции CALS-стандартов и технологий.
Одной из причин отставания в области CALS - технологий является отсутствие отечественной нормативной базы
, регламентирующей основные принципы электронного ведения работ при проектировании, производстве, поставке и сервисном обслуживании изделия. Для организации и осуществления работ по стандартизации в области CALS-технологий (в соответствии с решением коллегии министерства экономики России) в рамках Госстандарта России в 1999 году создан Технический Комитет № 431 «CALS - технологии».
В рамках ТК № 431 действует подкомитет № 2 «Представление данных и обмен данными об изделиях и процессах», организованный на базе НИЦ CALS – технологий «Прикладная логистика» и объединяющий специалистов ведущих отечественных предприятий. Работы по подготовке нормативных документов ведутся в соответствии с «Программой стандартизации в области CALS-технологий в 2000 – 2003 г.г.», утвержденной Госстандартом России и рядом заинтересованных министерств и ведомств.
В настоящий момент CALS понимается как глобальная стратегия повышения эффективности бизнес-процессов, выполняемых в ходе жизненного цикла продукта за счет информационной интеграции и преемственности информации, порождаемой на всех этапах жизненного цикла. Средствами реализации данной стратегии являются CALS-технологии, в основе которых лежит набор интегрированных информационных моделей: самого жизненного цикла и выполняемых в его ходе бизнес-процессов, продукта, производственной и эксплуатационной среды. Возможность совместного использования информации обеспечивается применением компьютерных сетей и стандартизацией форматов данных, обеспечивающей корректную интерпретацию информации.
2. КОНЦЕПЦИЯ CALS
2.1. Основные определения
В условиях постоянного и значительного усложнения инженерно-технических проектов, программ разработки новой продукции и роста наукоемкости изделий конкурентоспособными окажутся предприятия, достигшие совершенства в управлении бизнесом, обладающие отлаженными процессами проектирования, производства, поставки и поддержки продукта, ориентированные на функционирование в условиях быстро меняющейся экономической ситуации и способные мгновенно реагировать на возникающие новые запросы рынка.
Такая цель не может быть достигнута частными, постепенными изменениями традиционных методов работы и точечным внедрением средств автоматизации. Предприятия должны провести кардинальное реформирование в сфере управления, опираясь на высокотехнологичные, положительно зарекомендовавшие себя стратегии организации современного бизнеса. Такой стратегией, принятой в настоящее время в качестве международного стандарта, является CALS.
CALS (Сontinuous Acquisition and Life Cycle Support) - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия или продукта
. Это стратегия повышения эффективности, производительности и рентабельности процессов хозяйственной деятельности предприятий за счет внедрения современных методов информационного взаимодействия участников ЖЦ продукта.
Жизненный цикл продукта
, как его определяет стандарт ISO 9004-1, — это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта. Основные стадии жизненного цикла показаны далее на рисунках.
Процесс -
это структурированный набор функций, охватывающий различные сущности и завершающийся глобальной целью (определение по ISO/CD 15531-1). По определению, приведенному в стандарте ISO 8402:1994, процесс - это совокупность взаимосвязанных ресурсов и деятельности, которая преобразует входящие элементы в выходящие. Ресурсами являются персонал, средства обслуживания, оборудование, технология, методология.
ЖЦ продукта присуще большое разнообразие процессов. Наиболее известные: производственный процесс, процесс проектирования, процесс закупок. Каждый из этих процессов, в свою очередь, состоит из технологических процессов и организационно-деловых процессов
. Под технологическим процессом
понимается часть производственного (или другого процесса), содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) последующему определению состояния предмета труда. Под организационно-деловыми процессами
понимаются процессы, связанные с взаимодействием людей (подразделений, организаций). Все процессы ЖЦ взаимосвязаны (рис.2.1).
Для общей характеристики этих процессов используется понятие «бизнес-процесс».
Бизнес-процесс – совокупность технологических и организационно-деловых процессов, выполняемая целенаправленно в рамках заранее заданной организационной структуры.
Бизнес-процессы могут быть разного масштаба
: масштаба предприятия (в него вовлечены работники нескольких подразделений, например, снабжающих предприятие материалами и комплектующими), внутрицеховые, внутри лабораторные (например, изготовить деталь). Внутри одного бизнес-процесса часть составляющих его технологических и организационно-деловых процессов может быть организована в отдельный вложенный бизнес-процесс меньшего масштаба. Отдельные технологические и организационно-деловые процессы могут раскладываться на операции
(законченные части процесса, выполняемые на одном рабочем месте – выписать накладную, составить договор), которые в свою очередь делятся на переходы
(законченные части операции, выполняемые одними и теми же средствами – позвонить, записать, фрезеровать).
Рис.2.1 Жизненный цикл продукта как взаимосвязь процессов
Бизнес-процессы также различаются по типу деятельности:
- основные
бизнес-процессы (определяют основное направление деятельности предприятия: производство продукции, сервисное обслуживание, оказание услуг и т. п.);
- вспомогательные
бизнес-процессы (процессы, связанные с решением внутренних задач предприятия по обслуживанию основных бизнес-процессов);
- бизнес-процессы управления
(планирование деятельности предприятия, организация производства, контроль);
- бизнес-процессы сети
(взаимодействие с поставщиками и потребителями).
Анализ бизнес-процессов позволяет по-новому взглянуть на работу предприятия, уточнить обязанности работников, оценить эффективность использования ресурсов, увидеть недостатки, скрытые в организационной структуре. С момента введения термина «бизнес-процесс» появилось понятие «реинжиниринг бизнес-процессов
» (Business Process Reengineering, BPR), которое подразумевает фундаментальное переосмысление и перепроектирование бизнес-процессов предприятия с целью повышения эффективности его работы.
В общем случае ЖЦ необходимо рассматривать как совокупность ЖЦ конечного продукта и ЖЦ входящих в него компонентов, результатов деятельности субпоставщиков.
С этой точки зрения ЖЦ представляет собой древовидную
структуру (рис. 2.2).
Рис. 2.2 Жизненный цикл продукта и его компонентов
Рассмотрим
определение CALS детальнее
.
В дословном переводе аббревиатура CALS означает «непрерывность поставок продукции и поддержки ее жизненного цикла». Первая часть определения - «непрерывность поставок продукции» требует и подразумевает оптимизацию процессов взаимодействия заказчика и поставщика в ходе разработки, проектирования и производства сложной продукции, срок жизни которой, с учетом различных модернизаций, составляет десятки лет. Для обеспечения эффективности, а также сокращения затрат средств и времени, процесс взаимодействия заказчика и поставщика должен быть действительно непрерывным. Вторая часть определения CALS - «поддержка жизненного цикла» - заключается в оптимизации процессов обслуживания, ремонта, снабжения запасными частями и модернизации. Поскольку затраты на поддержку сложного наукоемкого изделия в работоспособном состоянии часто равны или превышают затраты на его приобретение, принципиальное сокращение «стоимости владения» обеспечивается инвестициями в создание системы поддержки ЖЦ.
Целью
применения CALS-технологий, как инструмента организации и информационной поддержки всех участников создания, производства и пользования продуктом, является повышение эффективности их деятельности
за счет ускорения процессов исследования и разработки продукции, придания изделию новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня сервиса в процессах ее эксплуатации и технического обслуживания.
Предметом CALS
являются технологии информационной интеграции
, то есть совместного использования и обмена информацией об изделии (продукте), среде и процессах, выполняемых в ходе жизненного цикла продукта.
Основой CALS
является использование комплекса единых информационных моделей, стандартизация способов доступа к информации и ее корректной интерпретации, обеспечение безопасности информации, юридические вопросы совместного использования информации (в том числе интеллектуальной собственности), использование на различных этапах ЖЦ автоматизированных программных систем (CAD/CAM/CAE, MRP/ERP, PDM и др.), позволяющих производить и обмениваться информацией в формате CALS.
Иногда термин CALS, отождествляется с различными Автоматизированными Системами Управления (АСУ) и компьютерными технологиями вообще. CALS, в отличие от ИАСУ и АСУП, охватывает все стадии ЖЦ (рис.2.3).
Рис.2.3 Позиционирование АСУП, ИАСУ и CALS-систем
внутри жизненного цикла продукта
Информационное взаимодействие субъектов, участвующих в поддержке ЖЦ, должно осуществляться в едином информационном пространстве (ЕИП)
. Для разрушения коммуникационных барьеров и реализации концепции CALS необходимо создать ЕИП для всех участников ЖЦ изделия (в том числе и для эксплуатационников). ЕИП должно:
· накапливать всю информацию об изделии;
· быть единственным источником данных о нем (прямой обмен данными между участниками ЖЦ исключен);
· формироваться на основе международных, государственных и отраслевых стандартов.
ЕИП создается с помощью программно-аппаратных средств, уже имеющихся у участников ЖЦ. В условиях отечественного производства лучше организовывать ЕИП в два этапа:
I этап — автоматизация отдельных процессов ЖЦ изделия и представление данных на них в электронном виде;
II этап — интеграция автоматизированных процессов и относящихся к ним данных.
ЕИП может быть создано для структур разного уровня: от отдельного подразделения до предприятия или корпорации.
В основе концепции ЕИП лежит использование открытых архитектур, международных стандартов и апробированных коммерческих продуктов обмена данными. Стандартизации подлежат форматы представления данных, методы доступа к данным и их корректной интерпретации. Стандарты являются основным строительным блоком CALS
.
Информационная интеграция базируется на использовании:
- информационной модели ЖЦ продукта и выполняемых в его ходе бизнес-процессов;
- информационной модели продукта;
- информационной производственной и эксплуатационной среды.
Более подробная классификация информационных моделей и их связь со стадиями ЖЦ продукта приведена в табл. 1.
Таблица 1
| Стадии жизненного цикла продукта
|
Информационные модели
|
||
| Модель продукта
|
Модель ЖЦ продукта и выполняемых в его ходе бизнес-процессов
|
Модель производственной и эксплуатационной среды
|
|
| Маркетинг |
Маркетинговая (концептуальная) |
Модель процесса маркетинга продукта |
Модель маркетинговой среды |
| Проектирование и разработка продукта |
Конструкторская |
Модель процессов проектирования и разработки |
Модель проектно-конструкторской среды |
| Производство или предоставление услуг |
Технологическая |
Модель процессов производства |
Модель технологической среды |
| Реализация |
Сбытовая (цены, условия продажи и пр.) |
Модель процессов продаж |
Модель среды, в которой осуществляются продажи |
| Установка и ввод в эксплуатацию, техническая помощь и обслуживание, эксплуатация, утилизация |
Эксплуатационная |
Модель процессов эксплуатации |
Модель эксплуатационной среды |
2.2. Задачи, решаемые при помощи CALS-технологий
Моделирование жизненного цикла продукта и выполняемых бизнес-процессов
. Это первый и очень существенный шаг к повышению эффективности организационной структуры, поддерживающей одну или несколько стадий ЖЦ продукта, — моделирование и анализ ее функционирования.
Цель бизнес-анализа — выявить существующее взаимодействие между составными частями и оценить его рациональность и эффективность. Для этого с использованием CALS-технологий разрабатываются функциональные модели, содержащие детальное описание выполняемых процессов в их взаимосвязи. Формат описания регламентирован CALS-стандартами IDEF и ISO 10303 AP208. Полученная функциональная модель не только является детальным описанием выполняемых процессов, но также позволяет решать целый ряд задач, связанных с оптимизацией, оценкой и распределением затрат, оценкой функциональной производительности, загрузки и сбалансированности составных частей, то есть вопросов анализа и реинжиниринга бизнес-процессов.
Методы функционального моделирования, например, с успехом могут быть использованы при создании систем обеспечения качества продукции
. В этом случае в качестве функциональной модели могут быть описаны функции системы обеспечения качества продукции, регламентированных стандартами ISO серии 9000. Разработанная функциональная модель позволяет выявить логические ошибки, допущенные при построении системы обеспечения качества, уточнить распределение полномочий и ответственности, автоматически генерировать отчетные документы по структуре системы. Функциональная модель системы качества продукции описывает сеть процессов обеспечения качества продукции и их интерфейсы, связанные с ними обязанности, полномочия, процедуры и ресурсы, распределение обязанностей и полномочий подразделений и персонала предприятия. При моделировании системы качества также используются информационные модели.
Проектирование и производство изделия.
Совместное, кооперативное проектирование и производство изделия может быть эффективным в случае, если оно базируется на основе единой информационной модели изделия (электронной модели изделия).
Разрабатываемая на данной фазе конструкторско-технологическая информационная модель базируется на использовании стандарта ISO 10303 (STEP). Созданная однажды модель изделия используется многократно. В нее вносятся дополнения и изменения, она служит отправной точкой при модернизации изделия. Модель изделия в соответствии с этим стандартом включает: геометрические данные, информацию о конфигурации изделия, данные об изменениях, согласованиях и утверждениях.
Стандартный способ представления конструкторско-технологических данных позволяет решить проблему обмена информацией между различными подразделениями предприятия, а также участниками кооперации, оснащенными разнородными системами проектирования. Использование международных стандартов обеспечивает корректную интерпретацию хранимой информации, возможность оперативной передачи функций одного подрядчика другому, который, в свою очередь, может воспользоваться результатами уже проделанной работы. Это особенно важно для изделий с длительным ЖЦ, когда необходимо обеспечить преемственность информационной поддержки продукта, независимо от складывающейся рыночной или политической ситуации.
Эксплуатация изделия.
Известно, что объемы разрабатываемой документации для сложного наукоемкого изделия очень велики. Поэтому традиционное бумажное документирование сложных изделий требует огромных затрат на поддержку архивов, корректировку документации, а также снижает эксплуатационную привлекательность и конкурентоспособность изделия.
Решение проблемы заключается в переводе эксплуатационной документации на изделие, поставляемой потребителю, в электронный вид. При этом комплект электронной эксплуатационной документации - интерактивные электронные технические руководства (ИЭТР)
, электронные справочники и др. следует рассматривать как составную часть интегрированной информационной модели изделия. Электронная документация может поставляться на электронных носителях (например, на компакт-дисках) или размещаться в глобальной сети Интернет. Стандартизация гарантирует применимость такой электронной документации на любых компьютерных платформах.
Эксплуатационная документация может содержать информацию различных типов в соответствии со стандартами CALS: ISO 10303 (STEP), ISO 8879 (SGML), ISO 10744 (HyTime) и MIL-PRF-28001C — для графической, текстовой и мультимедийной информации, MIL-PRF-28000A, MIL-PRF-28002C, MIL-PRF-28003A — для векторных и растровых графических иллюстраций.
Важно отметить, что в электронный вид может быть преобразована эксплуатационная документация, созданная ранее без использования компьютерных систем. Для изделий, уже находящихся в эксплуатации длительный период и спроектированных традиционными методами, задача поддержки документации не менее актуальна. В качестве примера можно привести опыт проектов, выполняемых в ВМФ и ВВС США по массовому переводу миллионов страниц руководств и листов чертежей в стандартизованный электронный вид. Полученная электронная документация размещается в специальных хранилищах на базах ВМФ и ВВС или непосредственно у производителей и доступна через компьютерные сети. При этом используются современные технологии сканирования, распознавания текста, векторизации чертежей и схем, создаются электронные справочники на целые изделия и отдельные системы.
2.3. Что дают CALS-технологии
CALS рассматривается как комплексная системная стратегия повышения эффективности всех процессов ЖЦ промышленной продукции, непосредственно влияющая на ее конкурентоспособность. Применение стратегии CALS является условием выживания предприятий в условиях растущей конкуренции и позволяет:
- расширить области деятельности предприятий (рынки сбыта) за счет кооперации с другими предприятиями, обеспечиваемой стандартизацией представления информации на разных стадиях и этапах жизненного цикла. Благодаря современным телекоммуникациям, уже не принципиально географическое положение и государственная принадлежность партнеров. Новые возможности информационного взаимодействия позволяют строить кооперацию в форме виртуальных предприятий, действующих в течение ЖЦ продукта. Становится возможной кооперация не только на уровне готовых компонентов, но и на уровне отдельных этапов и задач: в процессах проектирования, производства и эксплуатации;
- за счет информационной интеграции и сокращения затрат на бумажный документооборот, повторного ввода и обработки информации обеспечить преемственность результатов работы в комплексных проектах и возможность изменения состава участников без потери уже достигнутых результатов;
- повысить «прозрачность» и управляемость бизнес-процессов путем их реинжиниринга, на основе интегрированных моделей ЖЦ и выполняемых бизнес-процессов, сократить затраты в бизнес-процессах за счет лучшей сбалансированности звеньев;
- повысить привлекательность и конкурентоспособность изделий, спроектированных и произведенных в интегрированной среде с использованием современных компьютерных технологий и имеющих средства информационной поддержки на этапе эксплуатации;
- обеспечить заданное качество продукции в интегрированной системе поддержки ЖЦ путем электронного документирования всех процессов и процедур.
- сократить издержки производства и снизить стоимость продукции;
- сократить время создания изделия, его модернизации и увеличить его реальное время «жизни», функционирования в работоспособном состоянии за счет высокого качества и электронной поддержки во время эксплуатации.
3.
Системы
Автоматизированного
ПРоектирования
(CAD/CAM/CAE)
3.1. История развития
Термин САПР "Система автоматического проектирования" (в английской нотации CAD) появился в конце пятидесятых годов, когда Д.Т.Росс начал работать над одноименным проектом в Массачусетском Технологическом Институте (MIT). Первые CAD - системы появились десять лет спустя.
За последние 25 лет CAD - системы, как системы геометрического моделирования, были значительно усовершенствованы: появились средства 3D- поверхностного и твердотельного моделирования, параметрического конструирования, был улучшен интерфейс.
Несмотря на все эти усовершенствования, касающиеся, в основном, геометрических функций, CAD - системы оказывают конструктору слабую помощь с точки зрения ВСЕГО процесса конструкторского проектирования. Они обеспечивают описание геометрических форм и рутинные операции, такие как образмеривание, генерация спецификаций и т.п. Эти ограничения и чисто геометрический интерфейс оставляет методологию конструкторской работы такой же, какой она была при использовании чертежной доски. Развитие получили также системы автоматизации проектирования технологических процессов (CAPP) и программирования изготовления деталей на станках с ЧПУ (CAM). Однако, подобно CAD - системам, эти усовершенствования не затронули ПРОЦЕСС проектирования: CAPP - системы могут генерировать технологические процессы, но только при условии предварительного специального описания изделия с помощью конструкторско - технологических элементов. CAM - системой может быть использована геометрическая модель CAD - системы, но все функции CAPP - системы (проектирование технологии обработки)- перекладываются на инженера.
Помимо проектирования, инженерная деятельность связана с инженерным бизнесом и менеджментом. Сюда, в частности, входят автоматизированные системы управления производством (АСУПр). Эти системы обычно развиваются без какой - либо интеграции с САПР.
Итак, до последнего времени концепция автоматизации труда конструктора базировалась на принципах геометрического моделирования и компьютерной графики. При этом, системы компьютеризации труда конструкторов, технологов, технологов - программистов, инженеров - менеджеров и производственных мастеров развивались автономно и Инженерные Знания - основа проектирования, оставались вне компьютера. Такое положение не удовлетворяет современным требованиям к автоматизации. Сейчас необходима комплексная компьютеризация инженерной деятельности на всех этапах жизненного цикла изделий, которая получила название CALS (Computer Aided Life-cycle System) технологии. Традиционные САПР с их геометрическим, а не информационным ядром, не могут явиться основой для создания таких систем. Сегодня каждое изделие в процессе своего жизненного цикла должно представляться в компьютерной среде в виде иерархии информационных моделей, составляющих единое целое и имеющих соподчиненность .
Термин «САПР для машиностроения» в нашей стране обычно используют в тех случаях, когда речь идет о пакетах программ для автоматизированного проектирования (CAD), подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (CAE). Существуют САПР и для других областей — разработки электронных приборов, строительного проектирования. Идея автоматизировать проектирование зародилась в конце 50-х годов прошлого века, почти одновременно с появлением коммерческих компьютеров. А уже в начале 60-х ее воплотила компания General Motors в виде первой интерактивной графической системы подготовки производства. В 1971 г. создатель этой системы доктор Патрик Хэнретти (Patrick Hanratty) основал компанию Manufacturing and Consulting Services (MCS) и разработал методики, которые составили основу большинства современных САПР. Вскоре появились и другие CAD-пакеты. В то время они работали на мэйнфреймах и мини-компьютерах и стоили очень дорого — в среднем 90 тыс. долл. за одно рабочее место. Очевидно, что лишь крупные предприятия могли позволить себе идти в ногу со временем. Одновременно стали появляться и первые CAM-программы, позволяющие частично автоматизировать процесс производства с помощью программ для станков с ЧПУ, и CAE-продукты, предназначенные для анализа сложных конструкций. Так в 1971 г. компания MSC.Software выпустила систему структурного анализа MSC.Nastran, которая до сих пор занимает ведущее положение на рынке CAE. К середине 80-х годов системы САПР для машиностроения обрели форму, которая существует и сейчас. Но впереди их ждало много любопытных перемен. Появление микропроцессоров положило начало революционным преобразованиям в области аппаратного обеспечения — наступила эра персональных компьютеров. Но для трехмерного моделирования мощности первых ПК не хватало. Поэтому в 80-е годы поставщики «серьезных» средств автоматизации проектирования ориентировались на компьютеры на базе RISC-процессоров, работавшие под управлением ОС Unix, — они были намного дешевле мэйнфреймов и мини-машин. Параллельно снижалась стоимость ПО, и к началу 90-х средняя цена рабочего места снизилась до 20 тыс. долл. — САПР становились доступнее. Но в массовый продукт они превратились лишь тогда, когда компания Autodesk разработала свой знаменитый пакет AutoCAD стоимостью всего 1 тыс. долл. Правда, в те времена ПК были 16-разрядными, и их мощности хватало лишь для двумерных
На основе проведенного анализа структуры экспертной системы, можно утверждать, что такая вычислительная среда имеет прямое применение для инженерной деятельности как средство автоматизации проектных работ, если проектирование ведется от прототипа, по восходящей технологии или на высших иерархических уровнях той или иной системы проектирования. Однако, если объект проектирования можно формально описать, возникает потребность, с одной стороны, использовать приемы, характерные для инженерной деятельности, а с другой - привлечь знания математиков для использования формальных методов принятия решения. Кроме того, дальнейшее развитие САПР, по мнению многих разработчиков, должно идти по пути создания вычислительных систем, которые "лояльны" к пользователю, легко тиражируются и обладают свойством развития. В ближайшее время при построении САПР необходимо обеспечить решение следующих задач: обучение пользователя, которое сводится к обучению входным языкам, представлению справочной информации, адаптированной к характеру запроса, диагностике ошибок и сопровождению пользователя в процессе проектирования; обучение САПР, предполагающее настройку системы на конкретную предметную область или класс проектных процедур; организация диалога в процессе проектирования с целью описания объекта проектирования, технологического задания и заданий на выполнение проектных процедур; изготовление проектной и справочной документации, оформляющей проектные решения; контроль за функционированием системы и отображение статистических данных о количестве и качестве проектных решений.
Одни из наиболее мощных САПР – Unigraphics NX компании EDS, CATIA французской фирмы Dassault Systemes (которая продвигает ее вместе с IBM) и Pro/Engineer от РТС (Parametric Technology Corp.). Главная особенность таких мощных САПР — обширные функциональные возможности, высокая производительность и стабильность работы — все это результат длительного развития.
Важную роль в становлении среднего класса сыграли два ядра твердотельного параметрического моделирования ACIS и Parasolid, которые появились в начале 90-х годов и сейчас используются во многих ведущих САПР. Геометрическое ядро служит для точного математического представления трехмерной формы изделия и управления этой моделью. Полученные с его помощью геометрические данные используются системами CAD, CAM и САЕ для разработки конструктивных элементов, сборок и изделий.
Программы "легкой" категории служат для двумерного черчения, поэтому их обычно называют электронной чертежной доской. К настоящему времени они пополнились некоторыми трехмерными возможностями, но не имеют средств параметрического моделирования, которыми обладают тяжелые и средние САПР. Первая чертежная система Sketchpad была создана еще в начале 60-х годов, а затем появилось немало других продуктов такого рода, использующих достижения компьютерной графики. Однако подлинный расцвет в этой области наступил лишь в 80-е годы с появлением персональных компьютеров. Пионером в этой области стала компания Autodesk, которая в 1983 г. выпустила САПР для ПК под названием AutoCAD.
Таким образом, развитие Систем автоматического проектирования идет двумя путями — эволюционным и революционным. В свое время революционный переворот произвели первые САПР для ПК и системы среднего класса. Сейчас рынок развивается эволюционно: расширяются функциональные возможности продуктов, повышается производительность, упрощается использование. Но, возможно, вскоре нас ждет очередная революция. Аналитики из Cambashi считают, что это произойдет, когда поставщики САПР начнут использовать для хранения инженерных данных (чертежей, трехмерных моделей, списков материалов и т. д.) не файловые структуры, а стандартные базы данных SQL-типа. В результате инженерная информация станет структурированной, и управлять ею будет гораздо проще, чем теперь.
3.2. Реализация типовых процессов разработки изделий в системе PRO/ENGINEER
Одним из самых действенных способов повышения эффективности процесса разработки и сокращения времени выхода продукции на рынок, является широкое внедрение методологии использования типовых процессов конструирования и технологической подготовки производства.
Идеальным представляется тот случай, когда на предприятии создается интегрированная среда разработки изделия
, в которой, с одной стороны, аккумулированы знания об изделии, его структуре и составляющих элементах, а с другой стороны – заложены все типовые процессы разработки изделия, максимально использующие опыт и ноу-хау предыдущих разработок. Основополагающим принципом создания и дальнейшего использования типовых процессов является стандартизация как самих процессов, так и возможных конструкторских и технологических решений, относящихся к конкретным типам изделий или целым классам изделий. Лозунг "Всё, что может быть стандартизировано – должно быть стандартизировано!"
является в промышленном проектировании как никогда актуальным.
Рассмотрим вопросов практической реализации ряда типовых конструкторских и технологических процессов в разработанной компанией РТС
системе Pro/ENGINEER
. В качестве конкретной иллюстрации методологии взяты результаты совместной работы специалистов компаний PTC
и Toyota Motor Corp.
, которые относятся к разработке типовых процессов проектирования и производства автомобильных двигателей.
Будут рассмотрены следующие типовые процессы:
эскизное проектирование;
рабочее проектирование.
Эскизное проектирование, задание правил и критериев проектирования
Основными "строительными материалами", или базой знаний для стандартизированного эскизного проекта в Pro/ENGINEER могут являться следующие библиотеки:
библиотека типовых двумерных компоновок;
библиотека типовых трехмерных компоновок;
библиотеки типовых эскизов, отдельных деталей, типовых конструктивных решений.
На рис. 3.1 представлена схема процесса эскизного проектирования, которая иллюстрирует процесс создания мастер-геометрии изделия с применением типовых шаблонов.
Рис. 3.1 Схема процесса эскизного проектирования
Двумерная компоновка
Самым простым способом задания облика проектируемого изделия в системе Pro/ENGINEER
является создание его двумерной компоновки. Для этого существует специальный инструмент, который называется Layout
(рис. 3.2).
Рис. 3.2 Layout для управления типовым конструктивным решением “кривошипно-шатунный механизм”.
Это специализированное хранилище параметров и соотношений, в котором можно рисовать схемы, создавать таблицы параметров с описаниями, прописывать зависимости между ними и логику поведения, предупреждая о вводе некорректных значений параметров. Любое число параметров, определяемых как глобальные, из любого набора деталей и сборок могут одновременно управляться из Layout
.
В двумерной компоновке, кроме возможности задавать таблицы параметров с описаниями, есть возможность вставлять в качестве вспомогательных иллюстраций типовые эскизы или растровые изображения из библиотеки. Комментарии и гиперссылки позволяют щелчком мыши на надписи открывать в навигаторе системы Pro/ENGINEER Wildfire присоединенные документы – например, техническую документацию.
В результате создается удобная среда управления процессом компоновки изделия. Также следует отметить, что на одно изделие можно задать целую систему различных компоновок – общую, на отдельные узлы и сборки. Все компоновки будут связаны между собой, и параметры будут передаваться из одной компоновки в другую.
Трехмерная компоновка
Следующий и наиболее популярный инструмент эскизного проектирования – это трехмерная компоновка, или мастер-геометрия (Skeleton
). Трехмерная компоновка геометрически описывает структуру сборки, требования к размещению и стыковке узлов, а также прочие характеристики, которые затем могут использоваться для определения геометрии проектируемых узлов.
Трехмерные компоновки представляют собой либо обычные детали и сборки, либо Skeleton
в сборке. Аннотирование трехмерной модели дает возможность отобразить гиперссылки, характерные размеры и комментарии непосредственно на трехмерной компоновке. В дереве модели-компоновки создаются конструктивные элементы, содержащие геометрию для последующей передачи в тот или иной проектируемый узел. Они называются Publish Geometry
. Во вновь проектируемом узле разработчик извлекает те данные обстановки из трехмерной компоновки, которые адресованы именно ему, и делает ссылки на них. Всё, что относится к передаче различных элементов геометрии, находится в меню Shared Data
. Следует обратить внимание на то, что если в мастер-геометрии применено многократное копирование элементов (например таблично-управляемый массив осей для размещения крепежа), то внешние ссылки автоматически его отрабатывают. Проектирование на основе внешних ссылок от мастер-геометрии дает возможность синхронных ассоциативных изменений в узлах, не принадлежащих пока общей сборке.
Стандартные элементы
Третьим способом, применяемым на этапе эскизного проектирования, является использование стандартных элементов и типовых технических решений. Остановимся на этом подробнее. Есть несколько важных моментов, которые следует учитывать при создании типовых элементов и решений.
Во-первых
, есть смысл типизировать не только отдельные детали, но и конструкторские решения для отдельных элементов деталей и сборочных узлов. Для быстрого создания мастер-геометрии, все типовые присоединительные элементы также должны быть сохранены в библиотеке как эскизы.
Во-вторых
, можно существенно упростить работу, если достаточно продуманно и четко проработать параметрическое управление стандартными деталями и решениями.
И третье
– самое важное. Pro/ENGINEER
позволяет хранить в описании модели не только информацию о геометрии, но и все данные о правилах поведения модели. Набор функций модуля Behavioral Modeler (BMX)
позволяет просто и удобно формализовать требования к функциональному назначению детали или узла на ранней стадии эскизного проектирования. Или, говоря другими словами, задать правила поведения модели
. Расчетная схема с расположением закреплений и нагрузок также может являться неотъемлемой частью истории модели. Behavioral Modeler
позволяет задавать интегральные критерии оптимизации модели – с точки зрения особенностей её геометрии, массово-инерционных, прочностных и температурных характеристик, а также кинематического и динамического анализа.
Говоря об этапе эскизного проектирования и об инструментах создания компоновки и облика изделия, следует отметить, что именно на этом этапе можно найти оптимальные конструкторские решения – как элементов изделия, так и изделия в целом. Возможность оптимизации обеспечивается за счет наличия типовых процессов и библиотек типовых двумерных и трехмерных компоновок, библиотек типовых эскизов, деталей и конструкторских решений. Хорошая проработка конструкции на этапе эскизного проекта (до разработки рабочей документации и, тем более, до создания изделия в "железе") является предпосылкой значительного повышения качества конструкторских работ на последующих этапах, а также снижения трудоемкости технологической подготовки производства.
В качестве иллюстрации сказанного рассмотрим конкретные примеры.
Стандартное конструктивное решение для проектирования головки блока цилиндров имеет в своем составе геометрию камеры сгорания, расположение клапанов, свечей и инжекторов (рис. 3.3). В это решение заложен механизм реагирования на изменение входных параметров решения. Этот механизм базируется на так называемых аналитических элементах (Analysis Feature)
, задаваемых в Pro/ENGINEER
. С их помощью описываются правила поведения для данного стандартного решения – например, контролируется минимальное расстояние между клапанами и отверстиями для свечей; так же введен и контроль степени сжатия, а для впускного и выпускного канала заложены правила оптимального соотношения входного и выходного сечений.
Рис. 3.3 В типовом конструктивном решении для головки блока внесены аналитические элементы, и заданы правила их ограничения.
Еще один пример относится к типовой подсистеме "секция коленчатого вала – шатун – поршень". При проектировании подсистемы были заданы критичные размеры и правила оптимального расположения центра масс. Более того, поскольку расчетный модуль Structural and Thermal Simulation
является неотъемлемой частью системы Pro/E
, в качестве правил можно заложить расчетные схемы для комбинированного прочностного и теплового анализа. Они также сохраняются как элементы истории построения каждой модели (рис. 3.4).
Рис. 3.4 Расчетная модель сохраняется как элемент истории построения, ассоциативный с геометрией
Для описания поведения детали, узла, конструктивного решения не требуется знания языков программирования или обширных познаний в области конечно-элементного анализа. Средства описания правил просты и легки в освоении.
В системе Pro/ENGINEER
реализован переход от типовых параметризованных элементов к элементам, управляемым инженерными критериями. В результате создается задел в виде централизованной базы шаблонов конструктивных решений и узлов, наделенных знанием о функциональном предназначении.
Взятое из базы данных типовое решение подключается посредством команды Declare
к таблице глобальных параметров (Layout
) текущего проекта и становится его частью, подчиняясь общей системе управления через глобальные параметры.
Пройдя стадию эскизного проектирования, изделие (представляющее собой шаблон, состоящий из двумерной компоновки, трехмерной мастер-геометрии, а также стандартных элементов и решений) сохраняется в базе данных и переводится на стадию рабочего проектирования.
Этап рабочего проектирования
На рис. 3.5 представлена схема процесса рабочего проектирования. Суть процесса заключается в проектировании отдельных узлов и агрегатов. Отметим, что исходной информацией для данного этапа является мастер-геометрия изделия, полученная в ходе эскизного проектирования.
На представленной схеме многие работы выполняются через обращение к механизму Wildfire/Web-browser
, встроенному в Pro/E
, начиная с версии Wildfire
. Этот Web
-навигатор является универсальным стандартным средством для поиска, просмотра и загрузки в Pro/ENGINEER
любой интересующей информации. Он полезен во многих ситуациях - будь то получение задания на разработку, открытие папки в системе PDM
, поиск типового компонента и так далее.
Две наиболее важные особенности рабочего проектирования в системе Pro/ENGINEER
:
- Любая группа разработчиков получает на входе тот элемент мастер-геометрии (трехмерной компоновки), который относится к проектируемой данной группой подсистеме. Осуществляется это через внешнюю ссылку (Copy Geometry
) на подготовленную для них зону трехмерной компоновки (Publish Geometry
). Используются также (через Declare
) ссылки на глобальные параметры из двумерной компоновки (Layout
).
- Любая деталь может быть документирована по принципу 3D
-чертежа. То есть, сам чертеж как таковой не делается, а все размеры, шероховатости, геометрические допуски и другая необходимая информация расставляются непосредственно на трехмерной модели при помощи команды Annotation Feаture
. Ценность такой возможности очевидна, ведь аннотирование трехмерной модели дает возможность эффективно и просто организовать процедуры взаимодействия конструкторов и технологов. В реальном процессе параллельной работы над проектом, в трехмерную модель обязательно должны вноситься критичные размеры, геометрические допуски, технические требования, пометки, примечания, необходимые при передаче модели в ходе разработки между конструкторами, а затем и технологами. При этом не нужно тратить время на создание чертежа каждого операционного состояния
детали.
4. ОБЗОР CALS-СТАНДАРТОВ
Одно из центральных мест в системе CALS-стандартов занимают стандарты, разработанные под эгидой Международной организации стандартизации ISO и получившие название STEP (Standard for Exchange of Product data) и номер 10303. Стандарты ISO 10303 определяют средства описания (моделирования) промышленных изделий на всех стадиях жизненного цикла. Проект STEP развивается с середины 80-х годов прошлого века.
Единообразная форма описаний данных о промышленной продукции обеспечивается введением в STEP языка Express, инвариантного к приложениям. Первая версия стандарта ISO 10303-11, посвященного языку Express опубликована в 1990 г. В стандартах STEP использован ряд идей, ранее воплощенных в методиках информационного IDEF1X и функционального IDEF0 проектирования. Но роль стандартов STEP не ограничивается введением только грамматики единого языка обмена данными. В рамках STEP предпринята попытка создания единых информационных моделей целого ряда приложений. Эти модели получили название прикладных протоколов.
В качестве альтернативного языка для обмена геометрическими и техническими данными о промышленных изделиях может использоваться язык разметки XML. В 2004 г. компаниями Dassault Systèmes и Lattice Technology предложено подмножество 3D XML языка XML, которое получает все большую популярность для межсистемных обменов в CALS-технологиях.
Стандарт ISO 10303 состоит из ряда документов (томов), в которых описываются 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, 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 посвящен правилам написания файлов обмена данными между разными системами, созданными в рамках STEP-технологии.
Развитие CALS-технологий нашло выражение в разработке серий стандартов ISO 13584 Parts Library (сокращенно P-Lib), ISO 14959 Parametrics, ISO 15531 Manufacturing management data (Mandate), ISO 8879 Standard Generalized Markup Language (SGML). Разработка новых российских CALS-стандартов и изменений к стандартам ЕСКД должна быть увязана со стандартами и проектами стандартов серий ГОСТ Р ИСО 10303 и ГОСТ Р ИСО 13584, являющихся русскоязычными версиями стандартов ISO 10303 и ISO 13584.
Для оформления технической документации на создаваемые изделия в CALS-технологиях был рекомендован язык разметки SGML (Standard Generalized Markup Language). Этот язык представлен 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 декларацией DTD (Document Type Decfinition), 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.
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.
Язык SGML является метаязыком для семейства конкретных языков разметки. Так, языки разметки XML и HTML можно считать подмножествами языка SGML . При этом XML более удобен, чем SGML: легче воспринимается, приспособлен для использования в WWW (современных браузерах), сохраняя возможности SGML. Для конкретных приложений создаются свои варианты (словари) XML. Известны варианты для математики, химии, медицины. Для CALS интерес представляют варианты Product Definition eXchange (PDX) и 3D XML, посвященные обмену данными в САПР, а стандарт ISO 10303-28 посвящен созданию схем XML (XML Schema) для представления информации в CALS системах.
Стандарт MIL-STD-1840C посвящен представлению и обмену данными в CALS-технологиях. Основные положения этого стандарта признаны в России и представлены в документе Р50.1.027-2001. Стандарт определяет международные, национальные, военные стандарты и спецификации для электронного обмена информацией между организациями или системами. В нем к стандартам и спецификациям технологий CALS отнесен ряд стандартов таких, как вышеназванные стандарты STEP, SGML, а также стандарты шифрования данных и электронной подписи, кодирования аудио и видео данных, спецификации MIME электронной почты и т.п.
В соответствии с MIL-STD-1840C документы могут быть SGML-документами, обменными файлами на языке Express, для представления иллюстраций и текста допускается использование ряда других форматов. Так, для передачи и представления в технических руководствах иллюстративного материала (схем, рисунков) в соответствии с американским стандартом MIL-PRF-28003 можно использовать формат BMP, но более экономичен формат JPEG. Для 2D чертежей (но не в САПР) рекомендуется использовать формат CGM (Computer Graphics Metafile), ранее введенный в ISO/IEC 8632. Растеризация выполняется в соответствии с рекомендацией MIL-PRF-28002. Стандартный растровый формат — TIFF. Отметим, что документы MIL-PRF-28000 и MIL-PRF-28001 посвящены соответственно форматам IGES и SGML. Формат IGES (Initial Graphics Exchange Specification), утвержденный в качестве стандарта в начале 80-х годов, был предшественником STEP, но он был ориентированным в основном на описание геометрических свойств изделий.
В структуре документа выделяют реквизитную и содержательную части. В реквизитной части записываются метаданные в виде списка идентификаторов атрибутов и их значений, а также сведения об электронных подписях документа. Содержательная часть состоит из одного или более блоков данных, каждый блок имеет собственно передаваемые данные и их описание.
Электронная цифровая подпись (ЭЦП) представляет собой хэш-функцию передаваемого документа, закодированную составителем документа закрытым ключом по асимметричной схеме. Прочитать ЭЦП можно с помощью открытого ключа, но подделать подпись, не зная закрытого ключа, практически нельзя.
Для унификации структуры документов и правил деловой переписки прежде всего в торговых операциях Организация Объединенных Наций приняла в 1986 г. спецификации EDIFACT (Electronic Data Interchange For Administration, Commerce and Transport). Это международный стандарт (ISO 9735) для представления и обмена электронными данными, которые могут группироваться в сегменты, смысл которых частично описан в стандарте, но может быть обусловлен договоренностью между партнерами.
Особенности проектирования радиоэлектронной аппаратуры находят отражение и в форматах обмена данными. Основные методики функционального и логического проектирования электронных устройств основаны на использовании языка VHDL (Very high-speed integrated circuits Hardware Design Language), получившего статус международного стандарта IEEE 1076 в 1987 г. При конструкторском проектировании для описания топологии СБИС и печатных плат широко применяются форматы EDIF (Electronic Design Interchange Format) и CIF (Caltech Intermediate Format).
Развитие методологии моделирования на базе языка VHDL привело в 1999 г. к принятию стандарта IEEE 1076.1, посвященного смешанному (mixed mode) моделированию. Отметим, что смешанным принято называть аналого-цифровое моделирование, т.е. исследование моделей, в которых используются как непрерывные, так и дискретные величины. Объединение стандартов IEEE 1076 и 1076.1 в одном документе VHDL-AMS (VHDL Analog and Mixed Signal) позволило унифицировать описание моделей не только систем электрической природы, но также систем механических, гидравлических, тепловых, а также систем с физически разнородными компонентами.
В CALS-технологиях представлены не только вопросы описания данных и организации информационных обменов, но и вопросы моделирования приложений. Для выполнения начальных шагов моделирования сложных слабоструктурированных приложений рекомендуется использовать методики объектного моделирования на базе языка UML (Unified Modeling Language), функционального моделирования систем IDEF0, информационного моделирования IDEF1X. В частности, методики IDEF0 и IDEF1X представлены в федеральных рекомендациях США соответственно FIPS 183 и FIPS 184.
К CALS-стандартам относят также стандарты интегрированной логистической поддержки изделий и группу стандартов, посвященных созданию интерактивных электронных технических руководств
В эту группу входит спецификация MIL-D-87269 - Interactive Electronic Technical Manual (IETM) Database - описывает требования к создаваемым подрядчиками-поставщиками систем вооружений базам данных для интерактивных электронных технических руководств и справочников. В спецификации содержатся требования к построению баз данных, обеспечению обмена данными, наименованию элементов данных, сопровождению и обслуживанию данных. В приложениях к документу перечислены обязательные и необязательные элементы любой документации, а также их взаимосвязь. Подробно описана схема внутреннего построения баз данных на основе конструкций и элементов языка SGML. Описаны методы представления структуры и состава промышленного изделия и его компонент в языке SGML, а также даны шаблоны документов на обязательные составные части технической документации(такие как информация о неисправностях, техническое описание и т. п.).
4.1. Стандарты управления качеством промышленной продукции
Управление качеством включает следующие виды деятельности:
• сбор и анализ информации о производственных процессах и от потребителей продукции;
• выработка и корректировка целей и принятие решение, направленных на реализацию целей;
• распределение и перераспределение ресурсов.
Международные стандарты серии ISO 9000 разработаны для управления качеством продукции, их дополняют стандарты серии ISO 14000, отражающие экологические требования к производству и промышленной продукции. Хотя эти стандарты непосредственно не связаны со стандартами STEP, их цели — совершенствование промышленного производства, повышение его эффективности — совпадают.
Очевидно, что управление качеством тесно связано с его контролем. Контроль качества традиционно основан на измерении показателей качества продукции на специальных технологических операциях контроля и выбраковкой негодных изделий. Однако есть и другой подход к управлению качеством, основанный на контроле качественных показателей не самих изделий, а проектных процедур и технологических процессов, используемых при создании этих изделий. Такой подход более эффективен. Он требует меньше затрат, поскольку позволяет обойтись без 100% контроля продукции и, благодаря предупреждению появления брака, снижает производственные издержки. Именно этот подход положен в основу стандартов Международной организации стандартизации ISO 9000, принятых ISO в 1987 г. и проходящих корректировку приблизительно каждые пять лет.
Таким образом, методической основой для управления качеством являются международные стандарты серии ISO 9000. Они определяют и регламентируют инвариантные вопросы создания, развития, применения и сертификации систем качества в промышленности. В них устанавливается форма требований к системе качества в целях демонстрации поставщиком своих возможностей и оценки этих возможностей внешними сторонами.
Основными причинами появления стандартов ISO 9000 были потребности в общем для всех участников международного рынка базисе для контроля и управления качеством товаров. Американское общество контроля качества (ASQC) определило цели ISO 9000 как помощь в развитии международного обмена товарами и услугами и в кооперации в сфере интеллектуальной, научной, технологической и деловой активности.
В стандартах ISO 9000 используется определение качества продукции из стандарта ISO 8402, в котором под качеством продукции подразумевается своевременное удовлетворение требований заказчика при приемлемой цене. Вводится понятие системы качества (QS — Quality System), как документальной системы с руководствами и описаниями процедур достижения качества. Другими словами, система качества есть совокупность организационной структуры, ответственности, процедур, процессов и ресурсов, обеспечивающая осуществление общего руководства качеством.
Система качества обычно представляет собой совокупность трех слоев документов. Слои содержат:
1. описание политики управления для каждого системного элемента (организация, ответственные, контроль);
2. описание процедур управления качеством (что, где, кем и когда должно быть сделано);
3. тесты, планы, инструкции и т.п.
Сертификация предприятий по стандартам ISO 9001-9003 выполняется некоторой уполномоченной внешней организацией. Наличие сертификата качества — одно из важных условий для успеха коммерческой деятельности предприятий.
Стандарты серии ISO 9000 управления качеством промышленной продукции делятся на первичные, вторичные и поддерживающие.
В свою очередь, первичные стандарты делятся на внешние и внутренние. Внешние стандарты инвариантны к приложениям, они описывают требования, соблюдение которых гарантирует качество при выполнении контрактов с внешними заказчиками. Внутренние стандарты предназначены для внутреннего использования, они описывают мероприятия по управлению качеством внутри компании.
ISO предлагает следующие внешние стандарты:
• ISO 9001 — модель качества, достигаемого при проектировании, производстве, обслуживании;
• ISO 9002 — сокращенная по сравнению с ISO 9001 модель (без процессов проектирования);
• ISO 9003 — модель качества при финальном тестировании продукции.
Вторичные стандарты включают в себя:
• ISO 9000 — основные понятия, руководство по применению ISO 9001;
• ISO 9004 — элементы систем управления качеством.
В стандарте ISO 9004 содержатся 20 основных требований к качеству, называемых системными элементами. Системные элементы разделены на группы, относящиеся к производству, транспортировке и пост производственным операциям, документации продукции, маркетингу. Например, при производстве контролируются планирование, процедуры, программы и инструкции для управления и улучшения производственных процессов. При маркетинге контролируются такие системные элементы, как функциональное описание продукции, организация обратной связи с заказчиками (отслеживание и анализ рекламаций).
Поддерживающие стандарты предназначены для развития и установки систем качества:
• ISO 10011 — аудит, критерии для аудита систем качества;
• ISO 10012 — метрологическое подтверждение качества;
• ISO 10013 — пособие для развития руководств по управлению качеством.
Часть этих стандартов утверждена в качестве государственных стандартов РФ. В частности, это:
➢ ГОСТ Р ИСО 9001-96 "Системы качества. Модель обеспечения качества при проектировании, разработке, производстве, монтаже и обслуживании";
➢ ГОСТ Р ИСО 9002-96 "Системы качества. Модель обеспечения качества при производстве, монтаже и обслуживании";
➢ ГОСТ Р ИСО 9003-96 "Системы качества. Модель обеспечения качества при окончательном контроле и испытаниях".
В настоящее время разработана новая версия стандартов серии ISO 9000 под названием ISO 9000:2000 Quality management systems (Системы управления качеством), в которую включены документы:
• ISO 9000:2000 Fundamentals and vocabulary (Основы и терминология);
• ISO 9001:2000 Requirements (Требования к системам качества);
• ISO 9004:2000 Guidelines for performance improvement (Руководство по развитию).
Главные отличия новой версии от предыдущей обусловлены стремлением упростить практическое использование стандартов, направлены на их лучшую гармонизацию и заключаются в следующем.
В стандарте ISO 9001 минимизируется объем требований к системе качества. Стандарты ISO 9002-9003 из новой версии исключаются. Расширяется круг контролируемых ресурсов, в их число включены такие элементы, как информация, коммуникации, инфраструктура. 20 элементов качества из стандарта ISO 9004 сворачиваются в 4 группы: распределение ответственности (management responsibility); управление ресурсами (resource management); реализация продукции и услуг (product and/or service realization); измерения и анализ (measurement, analysis, and improvement).
ВЫВОДЫ
CALS-технологии призваны служить средством, интегрирующим промышленные автоматизированные системы в единую многофункциональную систему. Целью интеграции автоматизированных систем проектирования и управления является повышение эффективности создания и использования сложной техники.
Повышение эффективности выражается в следующем:
Во-первых, повышается качество изделий за счет более полного учета имеющейся информации при проектировании и принятии управленческих решений.
Во-вторых, сокращаются материальные и временные затраты на проектирование и изготовление продукции. Применение CALS-технологий позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания ранее выполненных удачных разработок компонентов и устройств, многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в базах данных сетевых серверов, доступных любому пользователю CALS-технологии. Доступность опять же обеспечивается согласованностью форматов, способов, руководств в разных частях общей интегрированной системы. Кроме того, появляются более широкие возможности для специализации предприятий, вплоть до создания виртуальных предприятий, что также способствует снижению затрат.
В-третьих, существенно снижаются затраты на эксплуатацию, благодаря реализации функций интегрированной логистической поддержки. Существенно облегчается решение проблем ремонтопригодности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации и т.п.
Эти преимущества интеграции данных достигаются применением современных CALS-технологий.
Промышленные 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 в рамках как отдельных предприятий, так 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 моделей (мета описаний) приложений, закрепляемых в прикладных протоколах CALS.
Унификация перечней и наименований сущностей, атрибутов и отношений в определенных предметных областях является основой для единого электронного описания изделия в CALS-пространстве.
В настоящее время общепризнанным фактом является невозможность изготовления сложной наукоемкой продукции (кораблей, самолетов, танков, различных видов промышленного оборудования и др.) без применения CAD/CAM/CAE-систем. За последние годы CAD/CAM/CAE-системы прошли путь от сравнительно простых чертежных приложений до интегрированных программных комплексов, обеспечивающих единую поддержку всего цикла разработки, начиная от эскизного проектирования и заканчивая технологической подготовкой производства, испытаниями и сопровождением. Современные CAD/CAM/CAE-системы не только дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество и надежность выпускаемой продукции (повышая, тем самым, ее конкурентоспособность).
В частности, путем компьютерного моделирования сложных изделий проектировщик может зафиксировать нестыковку и экономит на стоимости изготовления физического прототипа. Даже для такого относительно несложного изделия, как телефон, стоимость прототипа может составлять несколько тысяч долларов, создание модели двигателя обойдется в полмиллиона долларов, а полномасштабный прототип самолета будет стоить уже десятки миллионов долларов.
Например, широко известен проект разработки компанией Shorts Brothers фюзеляжа для самолета бизнес-класса Learjet 45 при помощи современных CAD/CAM/CAE-систем. Результаты выполнения проекта просто впечатляют.
Ранее компания Shorts использовала в проектно-конструкторских работах проволочное моделирование деталей. В создаваемых Shorts Brothers фюзеляжах самолетов обычно насчитывалось до 9500 структурных деталей. Подобные проекты могли потребовать более 440000 человеко-дней (до 4-х лет для завершения проекта).
Фюзеляж Learjet 45 оказался не только наиболее сложным среди существующих, но и был разработан в значительно меньшие сроки (на 40%), чем его предшественники. Кроме того, примерно в 10 раз было улучшено качество деталей и самой сборки фюзеляжа, а общее число деталей сокращено на 60% (при снижении объема основных переделок на 90% по сравнению с предыдущими проектами). В целом, компания Shorts смогла уменьшить число компонентов с 9500 до 3700 (на 60%). Полное время на проектирование и технологическую подготовку производства было сокращено до 125000 человеко-дней. Общее время разработки и технологической подготовки производства до 60000 человеко-дней, а весь цикл разработки типового фюзеляжа сократился с 4-х лет до 1,5-2 лет.
Список используемой литературы
1. «Введение в CALS-технологии», А.С. Шалумов, С.И. Никишкин, В.Н. Носков;
2. Портал «База и генератор образовательных ресурсов», кафедра САПР,
3. МГТУ им. М.Э. Баумана;
4. www.pts-russia.com, «CAD/CAM/CAE/PDM/PDS-технологии компании РТС».