www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс ведет к стремительному росту объема информации, которую специалисты-проектанты должны учитывать в своей повседневной работе. Еще сравнительно недавно сумма человеческих знаний удваивалась за десять лет. В ближайшее время такое же накопление будет происходить за один-два года. В результате доля рабочей силы, занятой обработкой информации, особенно в сфере проектирования, научных исследований и инженерно-технического творчества, постоянно растет.

Один из результатов научно-технической революции — экспоненциальный рост сложности используемой техники, и главным образом создающейся техники, сложность используемых технологий, транспортных и производственных связей. По оценкам специалистов, сложность продукции машиностроения (самолет, автомобиль, трактор и т. д.) выросла в среднем в 6 раз за последние три десятилетия. Поэтому становится актуальной проблема автоматизации проектирования.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) начали внедряться в конце 50-х гг. для технических расчетов, в 60-х гг. — для проектно-конструкторских работ (ЭВМ использовалась в режиме пакетной обработки данных). Так, разработанные САПР технологических процессов (САПР ТП) позволяют проектировать на ЭВМ технологические процессы горячей штамповки и штампы, выдавая всю необходимую технологическую информацию. Человек участвует только в кодировании исходных данных.

Возможны два принципиально различных способа автоматизированного проектирования: 1) синтез проектируемого объекта (конструкции, технологического процесса, цеха) применительно к заданным конкретным требованиям и технико-экономическим условиям при крупносерийном и массовом выпуске продукции (индивидуальное проектирование); 2) поиск с использованием информационно-поисковых систем по заданным характеристикам типового или группового объекта из имеющейся в памяти ЭВМ номенклатуры объектов для предприятий с единичным, мелкосерийным и серийным характером производства (групповое или типовое проектирование). Например, при проектировании типовых и групповых технологических процессов штамповки в САПР ТП, описанных в работах [13, 14, 28—36], предусматривается возможность усечения имеющегося в памяти ЭВМ группового процесса на «комплексную деталь», в которой соединены все возможные элементы и их сочетания для выбранного класса деталей. Описание группового технологического процесса для комплексной детали представляет собой список технологических операций (технологический маршрут) с закрепленными за каждой из них оборудованием и оснасткой. Технологический процесс для каждой конкретной детали, принадлежащей данной группе, определяется выбором из группового технологического процесса операций необходимых для изготовления этой детали. При выборе операций используют формализованные правила (условия), устанавливающие соответствие технологических, конструктивных и производственных параметров детали, с одной стороны, и операций технологического процесса, размеров и типов оснастки — с другой. Такие САПР ТП предназначены в основном для предприятий с единичным и мелкосерийным производством.

На предприятиях с массовым и крупносерийным производством повышаются требования к качеству проектного решения. Даже незначительное уменьшение, например, расхода металла или трудозатрат в одном технологическом процессе дает большой экономический эффект при изготовлении сотен тысяч и миллионов деталей. При этом необходимы индивидуальное проектирование (синтез) технологического процесса и оснастки применительно к изготовляемой детали с учетом особенностей ее формы и размеров и возможностей используемого технологического оборудования, а также оптимизация проектного решения. Процесс проектирования разбивают на элементарные, но универсальные операции (элементы расчетов, принятия решений, геометрических преобразований и др.), каждая из которых уже не зависит от особенностей деталей и проектируемых процессов. Однако в совокупности комплекс элементарных операций обеспечивает принятие решения для деталей любых форм и технологических требований для выбранного класса задач [20].

В 70-х гг. появление мини-ЭВМ и терминалов дало возможность получать с помощью САПР ТП чертежи и графики в интерактивном режиме при небольших трудовых и финансовых затратах.

САПР позволяет ускорить процессы проектирования и повысить качество проектов, быстрее использовать новейшие достижения науки и техники, лучше удовлетворять потребности в новых изделиях.

Процессы автоматизированного проектирования и автоматизированного производства объединяют не только функции конструирования изделий, выполнения необходимых чертежей и разработки программ для оборудования с числовым программным управлением (основные функции систем САПР), но также целый набор функций, связанных непосредственно с управлением технологическими процессами и производством. Объединение функций проектирования и управления технологическими и производственными процессами особенно эффективно при создании гибких производственных систем.

Как отмечает Г. Л. Смолян, широкая и комплексная автоматизация различных процессов на базе использования ЭВМ есть нечто большее, чем замена ручного труда машинным, это не просто управление машинами с помощью других машин, как нередко представляется на первый взгляд; появляется новая, «интеллектуальная технология», охватывающая все в принципе возможные объекты управления — операции, ресурсы, оценки. Переход к этой новой «технологии», использующей ЭВМ, в историческом плане, по-видимому, куда более революционен, чем появление поточного производства, конвейерных линий и систем автоматического регулирования [11, 161.

При освоении этой новой технологии очень важно рационально распределить функции между человеком и ЭВМ (см., например, работу [16]), особенно при решении вопроса об автоматизации принятия решений. Решения могут приниматься в условиях определенности, риска или неопределенности.

Если условия принятия решений определены, т. е. задача хорошо формализована, для принятия оптимального решения могут быть использованы известные методы исследования операций, например, при решении оптимизационных задач при автоматизированном проектировании в САПР ТП, описанных в работах [2, 3, 6, 8, 15, 17, 20].

В условиях риска решение принимается на основе стохастических моделей, оценивающих вероятность тех или иных событий [19]. При этом у специалиста-проектанта отсутствуют точные знания о проектируемом объекте и о закономерностях изменения его показателей (например, о том, как будут изменяться технико-экономические показатели проектируемого процесса при изменении его параметров). Поэтому и наилучшие решения будут получаться с какой-то определенной вероятностью, т. е. не всегда.

Еще более сложным становится принятие решений в условиях неопределенности, когда трудно получить не только достоверную, но и вероятностную оценку качества решений. Часто при проектировании даже самые лучшие эксперты расходятся в мнениях о том, какое решение приведет к успеху, какое — нет.

Как показал опыт, человек, принимая решение в условиях неопределенности, плохо оценивает вероятность будущих событий (большую вероятность назначает событиям, которые он лично чаще встречал), плохо оценивает априорную вероятность, практически неправильно ориентируется в условиях многокритериальной оптимизации, когда число показателей качества решения велико (3 и больше). В условиях неопределенности у человека проявляется плохая устойчивость (повторяемость) ответов, т. е. в разное время и при разных состоянии здоровья, настроении человека могут быть получены разные решения в одинаковой ситуации. Часто нетранзитивность ответов: объект А лучше Б, Б лучше В, В лучше А. Человек во многих случаях приспособляет задачу к своим возможностям, искажая ее. Ответ может зависеть также от того, как человеку подана информация.

В то же время опыт функционирования многих систем показал, что одно из главных преимуществ человека, по сравнению с системами, реализующими автоматическое принятие решений, — возможность творческого соотнесения запрограммированных действий и операций с реальностью, их корректирование и выработка эффективных решений и способов поведения в непредвиденных, изменяющихся ситуациях. Интеллектуальный механизм принятия решения заключается в переработке информации, фактических данных в управляющее воздействие. Главное в такой переработке — выделение из нее смысла или придание ей смысла. Такое осмысление ситуации с необходимостью связано с элементами субъективного порядка, отражающими целевые, мотивационные, ценностные установки и ориентации лица, принимающего решение. Именно поэтому механизмы смысловой обработки информации и ее оценки не рутинные, не повторяющиеся, не программируемые. Это обстоятельство во многом задает пределы автоматизации [11].

В условиях, когда критериев качества принимаемого решения много, выбор наилучшего, по мнению проектанта, решения осуществляется без полного осознания причин и правил выбора именного этого решения, понимания, насколько и почему оно лучше альтернативных.

Конечно, математические модели сложных процессов и систем, реализуемые на высокопроизводительных ЭВМ, дают возможность проектантам увидеть содержание своей деятельности с новых позиций, на более высоком уровне оценить последствия возможных решений, проверить и обосновать интуитивные предположения [16].

Примером принятия решения в условиях многокритериальности может служить оптимальное автоматизированное проектирование механических цехов, описанное в работах [6, 17], где при наличии десятков тысяч переменных (вариантов детале-операций) необходимо принять оптимальное решение по выбору числа и типа станков и автоматических линий, чтобы обеспечить выпуск заданной продукции и получить в каком-либо смысле наилучшее сочетание многих показателей проектируемого цеха: стоимости выпуска заданной продукции, объема капиталовложений на приобретение оборудования и строительство, площади цеха, числа работающих, уровня механизации труда, удельного веса прогрессивного оборудования, рациональности его использования и т. п. При такой многокритериальности (и противоречивости частных целей) отсутствует объективная оценка — какое решение лучше в каждом конкретном случае. Автоматизированная система позволяет имитировать различные варианты проекта цеха при разных ограничениях (по площади, числу работающих, затратам и т. п.), задаваемых проектантом, и давать оценку всех показателей для каждого варианта. Но выбрать наиболее пригодное решение в каждом конкретном случае должен человек, который получает от ЭВМ дополнительную информацию о том, как изменяются все показатели цеха при разных ограничениях, поэтому его решение хотя и будет субъективным, но опирается на более точные знания о проектируемом объекте.

В работах [6, 17] показано, что применение ЭВМ обеспечивает получение таких проектов строительства и реконструкции цехов, которые требуют приблизительно на 20 % меньше затрат, чем проекты, полученные без моделирования.

Как показывает опыт внедрения на разных предприятиях САПР ТП горячей объемной штамповки, в которых решения принимаются автоматически по имеющимся в САПР ТП алгоритмам, в силу специфики производственных условий каждого завода и бесконечного многообразия форм деталей внедрение САПР ТП на каждом заводе требует проведения трудоемкой работы по корректированию ряда используемых в САПР ТП алгоритмов.

Такого корректирования требуют, в основном, алгоритмы для решения в САПР ТП задач двоякого характера: предсказания и распознавания. Если модели (и алгоритмы), обеспечивающие решение в САПР ТП горячей штамповки задач предсказания, создаются и корректируются с применением методов теории обработки металлов давлением, математической статистики и других общетехнических дисциплин, то создание и корректирование моделей, обеспечивающих решение в САПР ТП задач классификации и распознавания, до недавнего времени в связи с отсутствием адекватных методов осуществлялось в основном интуитивно или по приближенным алгоритмам, что не всегда обеспечивало высокое качество проектируемых технологических процессов. Методы теории распознавания образов позволяют более эффективно алгоритмизировать эти сложные задачи и обеспечить совершенствование разработанных САПР. Использование некоторых методов обучения распознаванию образов позволило разработать обучающие программы проектирования штампованной поковки [1—3 и др.].

Как известно, при совершенствовании производственных процессов уточняются и правила проектирования в зависимости от возможностей штамповочного цеха, состояния оборудования, серийности производства и конфигурации штампуемых поковок. Указанные факторы не одинаковы для каждого завода. Следствие этого — существующие разнообразия в применяемых правилах проектирования на различных заводах.

Возникает необходимость в создании САПР ТП, способных обучаться, т. е. в построении дополнительных алгоритмических средств, цель которых — адаптация отдельных алгоритмов и САПР в целом к различным и изменяющимся производственным условиям.

Существующие методы проектирования процессов штамповки, основанные на использовании ГОСТов, нормалей и других технологических рекомендаций, не регламентируют правила принятия решений на всех этапах проектирования, поэтому во многих случаях технолог принимает их на основании специальных знаний, своего опыта и интуиции. Работа технолога по принятию решений в значительной степени творческая, ее трудно формализовать, особенно при решении задач распознавания. Поэтому в большинстве ранее разработанных САПР ТП эти задачи решались весьма приближенно, главным образом путем описания в математической форме правил классификации, используемых на практике высококвалифицированными специалистами. Эти правила классификации могли учесть все многообразие производственных условий и поэтому не всегда обеспечивали высокое качество проектируемых технологических процессов.

Применение математических методов обучения распознаванию образов обеспечивает автоматизированное решение задач распознавания. Методы теории обучения распознавания образов можно использовать и при построении и корректировании при помощи методов математической статистики (корреляционного и регрессионного анализа) моделей (алгоритмов) САПР ТП, обеспечивающих решение задач предсказания. Эффективность автоматизированного проектирования существенно повышается при адаптации САПР ТП вследствие использования методов оптимизации проектных решений, поскольку при поиске оптимальных решений о помощью ЭВМ учитываются конкретные условия производства.

Назад, на страницу описания