На правах рукописи

КУЛЬГА Константин Станиславович МОДЕЛИ И МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ И УПРАВЛЕНИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа - 2009

Работа выполнена на кафедре мехатронных станочных систем ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Научный консультант д-р техн. наук, проф.

Кривошеев Игорь Александрович, декан факультета авиационных двигателей Уфимского государственного авиационного технического университета Официальные оппоненты д-р техн. наук Судов Евгений Владимирович, директор Автономной некоммерческой организации НИ - CALS-технологий Прикладная логистика (г. Москва) д-р техн. наук, проф.

Сердюк Анатолий Иванович, директор аэрокосмического института Оренбургского государственного университета д-р техн. наук, проф.

Каяшев Александр Игнатьевич, зав. кафедрой автоматизированных технологических и информационных систем Стерлитамакского филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета Ведущая организация Институт технологии и организации производства ОАО НИИТ (г. Уфа)

Защита диссертации состоится 05 марта 2010 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДЦ212.288.03 Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан л _2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф. Миронов В.В.

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Уже в 80-е годы XX века было осознано, что информационные технологии (ИТ) индустриальных стран по стоимости соизмеримы и, в ряде случаев, превосходят стоимость природных, в том числе энергетических ресурсов. По оценкам компании Gartner Group (США) ИТ в настоящее время превратились из вспомогательного ресурса, дающего дополнительные преимущества для бизнеса, в основной ресурс, необходимый для развития экономики. Развитие мирового рынка, в котором можно получить практически мгновенный доступ к информации о любом изделии, вызывает резкий рост конкуренции между машиностроительными предприятиями. С появлением электронновычислительных машин (ЭВМ) началось внедрение разнообразных средств и автоматизированных информационных систем (АИС) для автоматизации выпуска бумажной технической документации (БТД).

Однако к началу XXI века стало ясно, что все эти достаточно дорогостоящие средства не оправдывают возлагающихся на них надежд, в части решения задач интегрированных АИС (ИАИС). Дело в том, что, каждая в отдельности современные CAD, CAM, CAE, PDM, FRP, MRP, MRPII, MES (Computer Aided Design, Computer Aided Manufacturing, Computer Aided Engineering, Product Data Management, Finance Requirements Planning, Material Requirements Planning, Manufacturing Resource Planning, Management Execution System)-системы, ориентированные на локальную автоматизацию и формирование традиционных баз данных (БД), не решают проблему создания единого информационного пространства (ЕИП), предназначенного для синхронизированного обмена данными между различными участниками жизненного цикла изделий (ЖЦИ).

На основании анализа реализованных проектов автоматизации управления машиностроительным производством выявлено, что контуры ERP (Enterprise Resource Planning)-системы, соответствующие классификации APICS (American Production and Inventory Control Society), не обеспечивают решение интегрированных задач технической подготовки и оперативного управления дискретным (позаказным) производством машиностроительного предприятия, ограничиваясь стратегическим планированием. С другой стороны, контуры CAD/CAM/CAE-систем не имеют прямых информационных связей с ERP-системой. Все это определяет существование значительного функционального и информационного разрыва между вышеуказанными контурами.

Для решения задачи взаимодействия бизнес-процессов (БП) технической подготовки производства и ERP-систем в настоящее время разрабатывается программное обеспечение (ПО) АИС предприятия на основе концепции PLM (Product Lifecycle Management)-систем. Изучение возможностей отечественных и зарубежных PLM-систем, показало, что в них реализована интеграция в ЕИП машиностроительного предприятия CAD/CAM/CAE/PDM-систем, т.е. БП конструкторской и технологической подготовки производства. Для осуществления взаимодействия PDM и ERP-систем, реализующих БП основных стадий ЖЦИ, определяющих эффективность работы предприятия, в настоящее время используются методы интеграции на основе данных БТД, программного обмена через структурированные файлы данных или API (Application Programming Interface)-интерфейс. Применение таких методов интеграции приводит к многочисленным ошибкам и потере актуальности данных, существенному затруднению процесса параллельного проектирования и производства изделий, увеличению стоимости внедрения и сопровождения.

Проведенный анализ позволил сформулировать постановку научной проблемы, имеющей важное значение для отечественной промышленности в условиях постоянного роста конкуренции на мировом рынке наукоемкой продукции - разработка и практическая апробация в реальных производственных условиях моделей и методов создания ИАИС обеспечивающих в ЕИП машиностроительного предприятия комплексную автоматизацию функций CAD/CAM/CAE/PDM/FRP/MRP/MES-систем, включая информационное и программное взаимодействие с ERP-системой (учетно-хозяйственной АИС). Необходимость разработки инвариантной методологии создания ИАИС машиностроительного предприятия с дискретным (позаказным) характером производства является актуальной задачей.

Диссертация является результатом исследований проводимых на кафедре Мехатронные станочные системы Уфимского государственного авиационного технического университета в области разработки методологии создания ИАИС машиностроительных предприятий.

Цель работы Разработка методологии создания информационных систем автоматизации технической подготовки и оперативного управления производством, интегрированных в ЕИП машиностроительного предприятия с системами ERP, практическая апробация и оценка эффективности этой методологии.

Для достижения цели потребовалось сформулировать и решить следующие исследовательские задачи:

1. Разработать концептуальную модель ИАИС машиностроительного предприятия как сложной многоуровневой АИС и выявить этапы ее реализации, для решения в ЕИП задач управления множеством инженерных и производственных БП, материальных объектов и ресурсов.

2. Разработать методику синтеза структуры ИАИС машиностроительного предприятия на основе системного анализа существующих реализаций и перспективных направлений развития ИАИС, взаимодействия БП технической подготовки и управления производством.

3. Разработать единую функциональную модель машиностроительного предприятия, работающего под управлением ИАИС, на основе использования результатов реинжиниринга и формализованного описания этапов жизненного цикла проекта ИАИС, для последующей организации в ЕИП предприятия информационного взаимодействия БП технической подготовки и оперативного управления производством, а также интеграции этапов функционального моделирования и создания ПО ИАИС.

4. Разработать единую информационную модель ИАИС, описывающую в ЕИП машиностроительного предприятия множество БП, материальных объектов и ресурсов технической подготовки и оперативного управления производством, отражающую все основные сущности указанного множества и многообразные отношения, заданные на этом множестве.

5. Разработать и реализовать в виде ПО ИАИС базовые информационные технологии, обеспечивающие комплексную автоматизацию функций CAD/CAM/CAE/PDM/FRP/MRP/MES-систем и программную интеграцию ИАИС и ERP-систем в ЕИП машиностроительного предприятия; провести экспериментальное исследование, практическую апробацию ПО ИАИС и оценить экономическую эффективность ИАИС, созданной на основе предложенной методологии (концептуальной, функциональной и информационной моделей и соответствующих методик).

Методы исследования Для решения поставленных задач в работе использованы методы системного проектирования и CASE-технологий, теория процессных методов управления, аппарат реляционной алгебры, теория множеств, методы объектноориентированного программирования, методы функционального и информационного моделирования, теория баз данных и ряд других смежных научных дисциплин.

Результаты, выносимые на защиту

:

1. Концептуальная модель ИАИС машиностроительного предприятия, основанная на интеграции общенаучных подходов, системных принципов и общих закономерностей построения, планирования, функционирования, развития сложных многоуровневых АИС, отличающаяся инвариантной методологией создания ИАИС и этапов ее реализации.

2. Структура ИАИС, полученная на основе разработанной методики синтеза, отличающаяся тем, что впервые удалось осуществить в ЕИП машиностроительного предприятия с дискретным характером производства информационную интеграцию БП технической подготовки и оперативного управления производством, а также информационное взаимодействие с бизнес-процессами, находящимися под управлением ERP-системы.

3. Единая функциональная модель управления машиностроительным предприятием, разработанная на основе результатов реинжиниринга БП и формализованного описания этапов жизненного цикла проекта ИАИС, отличающаяся полнотой и корректностью описания БП технической подготовки и оперативного управления производством, их информационного взаимодействия между собой и с ERP-системой в ЕИП, а также возможностью создания и применения этой модели в качестве самостоятельного приложения, определяющего состав, структуру и динамическое поведение ПО ИАИС.

4. Единая информационная модель ИАИС машиностроительного предприятия, содержащая формализованные описания БП, материальных объектов и ресурсов, задействованных в технической подготовке и оперативном управлении производством, представленные в виде множества информационных объектов и определенных на этом множестве связей (отношений) между информационными объектами в виде иерархических представлений, отличающаяся полнотой и корректностью представления всех указанных сущностей при их отображении в ЕИП предприятия.

5. Результаты экспериментального исследования и практической апробации оригинального ПО ИАИС Stalker PLM, разработанного на основе предложенных моделей, методик и базовых информационных технологий, обеспечивающего реализацию в ЕИП машиностроительного предприятия комплексной автоматизации функций CAD/CAM/CAE/PDM/FRP/MRP/MES-систем и информационную интеграцию ИАИС и ERP-систем.

Научная новизна 1. На основе комплексного применения общенаучных подходов, системных принципов и общих закономерностей построения, планирования, функционирования, развития сложных многоуровневых АИС разработана концептуальная модель ИАИС машиностроительного предприятия, определяющая инвариантную методологию создания ИАИС и этапы ее реализации.

2. На основе предложенной методики синтеза разработана структура ИАИС, позволяющая впервые осуществить в ЕИП машиностроительного предприятия с дискретным характером производства информационную интеграцию БП технической подготовки и оперативного управления производством, а также информационное взаимодействие с БП, находящимися под управлением ERP-системы.

3. На основе использования методов CASE-технологий и платформенно-независимого унифицированного языка моделирования UML разработана единая функциональная модель управления машиностроительным предприятием, отличающаяся полнотой и корректностью описания БП технической подготовки и оперативного управления производством, их информационного взаимодействия между собой и с ERP-системой в ЕИП, а также возможностью создания и применения этой модели в качестве самостоятельного приложения, определяющего состав, структуру и динамическое поведение ПО ИАИС (объекты, свойства, методы, связи).

4. На основе концептуальной и функциональной моделей и синтезированной структуры разработана единая информационная модель ИАИС машиностроительного предприятия, содержащая формализованные описания БП, материальных объектов и ресурсов, задействованных в технической подготовке и оперативном управлении производством, представленные в виде множества информационных объектов и определенных на этом множестве связей (отношений) между информационными объектами в виде иерархических представлений, отличающаяся полнотой и корректностью представления всех указанных сущностей при их отображении в ЕИП предприятия.

5. На основе предложенных моделей и базовых информационных технологий разработано и экспериментально исследовано ПО ИАИС Stalker PLM, практически реализующее в ЕИП машиностроительного предприятия комплексную автоматизацию функций CAD/CAM/CAE/PDM/FRP/MRP/MESсистем и информационную интеграцию ИАИС и ERP-систем; эффективность ПО ИАИС Stalker PLM подтверждена результатами экспериментальными исследований.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

ПО ИАИС Stalker PLM представляет собой законченный программный продукт, позволяющий существенно (на 15Ц30%) сократить сроки подготовки и освоения производства новых наукоемких изделий за счет реализации в ЕИП машиностроительного предприятия параллельных БП технической подготовки и оперативного управления производством на основе интеграции функций CAD/CAM/CAE/PDM/FRP/MRP/MES-систем и информационного взаимодействия ИАИС с ERP-системой; ПО ИАИС Stalker PLM позволяет также снизить издержки предприятия (себестоимость) при выпуске ранее разработанных и освоенных в производстве изделий;

разработаны организационные схемы взаимодействия подразделений машиностроительного предприятия, повышающие эффективность внедрения ИАИС и информационного взаимодействия ПО Stalker PLM и ERP-систем.

Реализация результатов работы. Выполненные разработки внедрены:

на предприятиях: ОАО Уралтехнострой-Туймазыхиммаш, ОАО Ишимбайский машиностроительный завод; ОАО Красный пролетарий и ОАО Строймаш (г. Стерлитамак); ОАО Блокжилкомплект (г. Октябрьский); ОАО Рузхиммаш (г. Рузаевка), ЗАО Джи Ти Сэвэн (г. Кузнецк).

в учебный процесс УГАТУ в виде двух учебно-методических комплексов (включающих учебные пособия с грифом учебно-методического объединения ВУЗов, МГТУ им. Н.Э. Баумана) для подготовки инженеров по специальности Мехатроника.