Секция КИС

Движение стандартов от традиционных документов к электронным моделям объектов стандартизации в формате конфигурируемых структур

Пиликов Н.А.

Введение

Промышленная стандартизация является обязательным условием успешного существования технологически развитой цивилизации. За счет применения стандартизации становится возможным высокопроизводительное и безопасное производство разнообразных масштабов и серий. Важность соблюдения многочисленных стандартов по мере возрастания объемов и разнообразия производства становится критическим фактором. Но традиционно стандарты представлены в форме документов, а это значит, что они рассчитаны только на чтение человеком, соответственно, предполагают только ручной процесс их использования. В статье рассматривается вопрос разработки машино-читаемого представления и применения в информационной системе (ИС) таких инструментов стандартизации, как требования к объектам стандартизации, что как раз является основой содержания стандартов. Предполагается, что документированные в стандартах требования и нормы должны будут постепенно перерастать в эталонные объекты ТР – электронные структуры, поддержка которых уже сможет осуществляться автоматически на уровне системных моделей.

Понятие стандартизации

Стандартизация в данном контексте рассматривается как надстроенная над промышленной сферой система выборочного технического регулирования (ТР) в интересах общества. Стандартизация является междисциплинарной надстройкой регулирования и действует в интересах общества как глобальный стабилизатор качества и безопасности. Система стандартизации реализуется на разных уровнях - государственном, отраслевом, корпоративном и в самом общем виде выражена технологией ТР, которая надстроена над объектами ТР - производственными процессами, продукцией, производственной инфраструктурой.

Общество, как создатель среды для субъектов промышленного производства, то есть, организатор и потребитель процессов, заинтересовано в том, чтобы производственные процессы действовали безопасно для членов общества (самого человека) и среды обитания, с наименьшими затра-тами, в кратчайшие сроки. С этой целью производственные объекты и процессы рассматриваются как объекты технического регулирования (ТР), для них со стороны общества реализуется общее техническое регулирование (ТР) с целью влиять на объекты ТР через требования или нормы таким образом, чтобы лучшие (в плане ключевых показателей безопасности и качества продукции) примеры технических решений получали наибольшее распространение и принимались субъектами производства как рекомендуемые или обязательные нормы или эталоны.

Нормы, как элементы регулирования, для объекта ТР представляют собой специально сформированный для целей ТР комплект эталонных объектов или объектов целеуказания, относительно которых производится оценка корректности состояния подконтрольного объекта.

По терминологии ISO 22745 нормы называются мастер-данными (Master Data), то есть данными многократного (массового) использования, на основе которых строятся производственные процессы. Деятельность общества по поиску, разработке и установлению норм в процессе реализации технического регулирования в промышленной сфере составляет основу стандартизации.

Естественно, сам производственный процесс реализуется и оперативно управляется субъектами производства – частными или государственными промышленными предприятиями и корпорациями, но ТР как элемент стандартизации реализуется субъектами ТР (СТР) - органами и подразделениями системы стандартизации и применяется ко всем наиболее важным с точки зрения безопасности и экономической значимости изделиям и процессам. В самом общем виде процесс ТР и реализующие его роли могут быть представлены следующей схемой:

Рис. 1 Самая общая схема технического регулирования

Уже на Рис. 1 видно, что нормы применены в 2-х точках процесса – при создании продукта и при его оценке соответствия нормам после изготовления. В процессе ТР важно, чтобы сам объект технического регулирования (ОТР) был управляемым, а это значит, что в его структуре должны быть предусмотрены возможности внешнего контроля (каналы для механизма слежения) и механизм воздействия (органы управления) на состояние по структуре внешних команд. Только в этом случае техническое регулирование имеет смысл, разработанные эталоны найдут применение, и ОТР гарантировано будет находиться в том состоянии, которое предусмотрено в структуре эталона. Структура эталона при этом не обязательно статична, она может непрерывно меняться, как это, например, имеет место в станках с ЧПУ, где управляющая программа указывает станку в каждом цикле управления новое положение и механизм воздействия (система электрический привод + мотор) быстро приводит станок в нужную точку пространства.

Местами приложения элементов технического регулирования являются промышленные предприятия, реализующие жизненный цикл (ЖЦ) продукции. ТР как процесс применяется циклами (экземплярами процесса), частота запуска которых может изменяться в широком диапазоне, в зависимости от многих факторов. Механизм управляющих воздействий в случае выявления отклонений от норм также разнообразен, может содержать действия, начиная от простых рекомендаций вплоть до остановки производства.

ТР, как любое управление, создает нагрузку на производство, соответственно, оно должно быть реалистичным и применяться таким образом, чтобы внесенный в производственный процесс контроль норм не помешал субъектам производства осуществлять полезную для общества деятельность и сохранил у производителей интерес к производственному процессу.

ТР является междисциплинарным и выборочным, то есть, распространяется на все отрасли промышленного производства и действует только в некоторых определенных областях, наиболее важных для общества в целом. Механизм выборочного действия ТР состоит в выработке и установлении определенных норм на разных этапах ЖЦ подконтрольной продукции с целью повысить качественные показатели продукции в части следующих факторов:

• Безопасности
• Эргономики
• Экологической защищенности
• Экономической эффективности
• Технической взаимозаменяемости.

Решение по возможности автоматизации процесса ТР на уровне информационной системы предлагается нами в форме создания программной системы для эксперта ТР – разработчика норм в формате системных моделей объектов технического регулирования. По сути, такая система, которую можно назвать системным моделером, позволит эксперту в процессе разработки стандарта или конвертации текстового стандарта иметь возможностью построения моделей ТР.

Традиционный процесс ТР

Представление стандартизации, как унифицированного процесса ТР над объектами ТР является ключевым фактором для создания системного моделера. Объекты ТР также представлены в системе как унифицированные структуры, соответствующие принятой в системе стандартизации классификации типов объектов. Целью процесса ТР является удерживание состояния конкретного объекта ТР в рамках ограничений, которые выражены в обязательных технических требованиях к объекту данного класса и оформлены в нормативных документах (НД). Удерживание объекта в рамках требований и норм реализуется на основе применения комплекта норм или эталонов как функционального ядра системы, как показано на Рис. 1. Комплект норм также является объектом системы ТР, что делает возможным накопление, применение норм в пользовательских процессах, а также выполнение оценки результатов исполнения пользовательских процессов на предмет соответствия нормам.

Традиционно нормы являются документоцентричными (или документоориентированными) и представляют собой текстовые параграфы, таблицы, возможно, с элементами графического оформления, но совершенно определенно рассчитанными на восприятие человеком. Документоцентричное исполнение норм полностью исключает машинную обработку в информационной системе (ИС) и делает неизбежным ручное исполнение процесса ТР, как показано на Рис. 2, где всегда присутствуют 2 стороны – заказчик и исполнитель.

Рис. 2 Схема процесса с документоцентричным процессом ТР

Ручной процесс ТР означает, что, если нормы на изделие оформлены как текстовые параграфы, то применять их можно, например, на этапе разработки технической документации только вручную. Далее, когда состоялся исполнительный процесс и изделие по документации выпущено, то проверить все факторы изделия на соответствие требованиям также можно только вручную, читая параграфы и сверяя их с тем, что получено в исполнительном процессе. При чем, ручное регулирование происходит даже в тех случаях, когда объектом является изделие, которое проходит этап разработки в системе PLM, и в этом процессе применяется цифровой прототип изделия, насыщенный объемными моделями.

Предлагаемая методика ТР на основе моделей свойств

Методика построения нового процесса основана на представлении объектов ТР в разработанном формате компьютерных моделей, которые извлекаются прямо из НД и строятся в форме древовидных электронных структур (иерархий). Модели объектов ТР, согласно ИСО 22745, должны быть представлены в ИС как абстрактные классы. Каждый класс объединяет множество разных конкретных объектов с примерно однотипными свойствами, формируется классификация объектов по типам. Предполагается, что любой объект из физического пространства в информационной системе (ИС) может быть представлен как электронная структура, сформированная как ресурс в информационном пространстве с электронным адресом. По этому адресу к объекту будут обращаться все другие субъекты ИС – пользователи, программы. К данному адресу привязываются все свойства объекта, выраженные в форме некоторого множества атрибутов и связей.

По каждому свойству объекта в ИС должен быть определен процесс, который реализует это свойство, это значит, что создана системная модель данного свойства. Свойств может быть много и, по сути, каждый объект представлен спецификацией или контрактом, возможно, целой структурой своих свойств-моделей. Все множество свойств объекта составляет его функциональность. Сам же объект в ИС представлен иерархией, элементами которой являются взаимодействующие части – компоненты. Компоненты также являются ресурсами в ИС, для каждого из которых также определены свойства-модели, то есть присутствует иерархия (декомпозиция) на уровне свойств.

Очевидно, что объекты выбираются и попадают в систему только благодаря своим свойствам. Объект без свойств в системе является нонсенсом, и не должен в системе присутствовать, соответственно, в каждом объекте, если он представлен в системе, должно быть указано хотя бы одно свойство. По сути, любое свойство объекта представляет собой хаб (концентратор), увязывающий в один узел (имеется в виду по времени и пространству) определенную группу конкретных объектов, каждый из которых включен в схему благодаря наличию собственного свойства.

Представление свойства в форме концентрированного процесса используется, в том числе, и на более низких уровнях для вполне материальных видов деятельности, которые имеют место в цехах предприятий. По наиболее важной технологической задаче в рамках, например, машиностроительного предприятия может быть определено свойство обрабатывающего центра с ЧПУ. Свойство работать по программе обработки характерно для всех станков с ЧПУ, но, если станок с ЧПУ используется как средство получения точной детали из металлургической заготовки, то схема его основного свойства может выглядеть так, как показано на Рис. 3.

Рис. 3 Пример схемы исполнения свойства «Обработка по программе металлургической корпусной заготовки»

В данном случае свойство обрабатывающего центра работает как модульный процесс изменения состояния объекта обработки. На входе шероховатая деталь с неточной и избыточной геометрией (припуском), на выходе процесса геометрия и качество поверхности на уровне, которое требуется в наряд-задании. Очевидно, что работа свойства может создавать не только полезный продукт, могут присутствовать и негативные последствия, это обстоятельство также требует оформления в спецификации и модели свойства.

Но свойство определенного объекта может работать не только на изменение, но и на удерживание состояния объекта в определенных рамках, то есть, быть стабилизатором состояния. Свойство стабилизатора также представляет собой процесс, который включается как элемент противостояния имеющим место возмущающим факторам. К таким объектам можно отнести, например, систему стабилизации климата в кабине автомобиля, стабилизатор напряжения питания в приборе, лонжерон в конструкции крыла самолета.

Модели свойств объектов как хабов для других объектов могут быть разными, но с точки зрения логистики можно определить такие типы (Рис. 4):

Рис. 4 Виды свойств объектов по типу и состоянию целевого объекта

Примерами сборки или конструкции являются любые операции, где на входе входные компоненты поглощаются новым объектом, который приобретает новые свойства и является целевым объектом. Входные компоненты, таким образом, из системы исчезают как самостоятельные единицы.

Принцип работы системного моделера

Системный моделер разработан как платформа для создания классов объектов и моделирования свойств реальных объектов в ИС. Каждому объекту соответствует электронная структура факторов – всех его возможностей изменять состояние, как по структуре его состава, так и по состоянию факторов. Объекты в ИС могут быть разной природы и разного материального исполнения: твердотельные детали, полуфабрикаты, сборочные единицы из деталей, сплавы из полуфабрикатов, жидкости, газы, порошки, гранулы, смеси из них и т.д. Все объекты объединены в классы, то есть, метаобъекты, представленные типами. Тип объекта – это электронная структура вариативных элементов, то есть частей или свойств (атрибутов), которые определяют его функциональность и все существенные для системы характеристики, и по которым производится конфигурирование в конкретный экземпляр.

Исходя из типа, строится структура типа, которая сама по себе может быть многоуровневой и вариативной, то есть допускать конструктивные исполнения, замены и т.д. Исполнения, конфигурации и замены делают различным состав атрибутов. Например, болт может быть с отверстием определенного диаметра, соответственно, этот диаметр добавляется в состав атрибутов всего болта. Все эти особенности поступают в процесс конфигурирования болта в формате факторов или фасет конфигурирования. В зависимости от материального исполнения могут быть разного типа факторы, связанные с целевым объектом. Наиболее предпочтительным является подход, в котором факторы конфигурирования выстраиваются в порядке жизненного цикла (ЖЦ) объекта, то есть процесса, в котором присутствуют элементы, также соответствующие типу целевого объекта. Как правило, это объекты высокой серийности, возможно, даже стандартизованные, рассчитанные на множество условий применения и множество характеристик и пользовательских свойств. Если, например, объектом является стандартное изделие болт, то его вариантная структура может быть примерно выражена схемой на Рис. 5 (все цифры и названия условны).

Рис. 5 Примерная вариантная структура класса изделия болт и получаемые от него экземпляры

Здесь есть собственные факторы, определяющие геометрию болта, такие как диаметр, длина, а также факторы, полученные от компонентов, таких как материал, резьба, отверстие. Конфигурирование не может быть без определения вариантной структуры, именно по ней определяются все вариативные точки в структуре проекта изделия, требующие уточнения. По каждой вариативной точке предусмотрено ветвление (нетерминальная точка – вариативный узел) или набор значений (терминальная точка - атрибут). Все вариативные точки оформляются как факторы конфигурирования или фасеты. Данная структура является генератором множества конкретных экземпляров объектов. Но все множество вариантов экземпляров огромно, соответственно в задачу модели должна входить структура, которую мы называем структурой ограничений или правил. Ограничитель – полностью зависимая обрабатывающая структура от объекта конфигурирования, элементами которой являются правила (активные элементы), действующие в качестве ограничителей как для структур, так и для конечных узлов. Ограничители являются элементами обработки объекта на маршруте конфигурирования. Таким образом, для любой факторной структуры, если это требуется по смыслу задачи, могут быть добавлены ограничители, тоже собранные в структуру (Рис. 6).

Рис. 6 Вариантная структура класса болт и его структура ограничителя

Фактор F4 здесь представлен как вариативный узел с вариантом отсутствия в структуре. На основе этих 2-х структур моделер запускает процесс конфигурирования. Из Рис. 6 видно, что элементами структуры ограничителя являются операции разных типов (пропустить, исключить, вычислить и т.д.) с операндами, представляющими собой ссылки на элементы вариантной структуры.

При старте каждый конфигурационный процесс создает чистую вариантную структуру и предлагает множество вариантов начала – режим максимальной вариативности, но как только вариант по первому фактору выбран, далее процесс идет по принципу последовательного сужения выбора, то есть гашения вариативности по следующим факторам цепочки. При наличии класса можно всегда получить «правильный» экземпляр конкретного объекта, как это происходит, например, в системе Технорма (Рис. 7).

Рис. 7 Конфигуратор объекта в система Технорма

Выбор правильного объекта, который соответствует требованиям, может быть осуществлен также вручную в диалоговом режиме, а также полностью в автоматическом из других программных приложений. Классы объектов разнообразны и традиционно оформлены как стандарты для ручного применения. Для реализации автоматизированного процесса ТР и создания спецификаций всех свойств всех имеющихся в ИС ресурсов необходима постоянно работающая служба, в функции которой входит подготовка на основе документов электронных структур для создания компонентой базы. Поскольку любое изделие состоит из массы компонентов, наше предложение состоит в создании центра нормативных ресурсов (ЦНР), для каждого из ресурсов будет подготовлена функциональная модель, удобная для многократного применения во всех проектах.

Таким образом, управление требованиями в принципе может быть приведено к моделецен-тричной схеме, показанной на Рис. 8.

Рис. 8 Схема процесса с моделецентричным ТР

Здесь вся работа построена на операциях с электронными структурами, большая часть которых исполняется автоматически. Вся технология органично сочетается с тенденцией разработки цифрового макета изделия, то есть, основано на моделях самого изделия и моделях его компонентов. По сути, надо постепенно уходить от простого текстового определения норм и представлять каждое требование как модель определенного свойства объекта.

Текстовое определение и традиционное детальное описание свойства объекта при этом никак не исключается, более того, в данной платформе предполагается обязательная ссылка на текстовый ресурс, то есть, на какой-то документ, также размеченный на структуру параграфов, как это делается, например, в таких системах управления требованиями как IBM DOORS. Но в данном случае модель каждого материала, компонента и т.д. должна быть первичной, чтобы система без вмешательства человека могла автоматически реагировать на изменения всего того, что влияет на свойство (геометрия, физические характеристики, агрегатное состояние и т.д.) и делать оценку соответствия какого-то свойства также на основе приложенной модели.

Преимущества и перспективы внедрения

Внедрение системного моделера позволит пользователям создать возможности для более продуктивной работы с нормативными ресурсами, что даст возможность получить на предприятии следующие преимущества:

• Скорость и точность работы с нормативными ресурсами существенно возрастает, пользователь не обязан помнить все ограничения, которые используются для получения правильных решений, снижаются требования к квалификации пользователей.
• В организации появляется возможность создания БД и постепенного накопления норм, создается основа для их неограниченного разнообразия, в результате усилится применение в изделиях стандартов и норм.
• Объективность применения норм возрастает ввиду действия точного механизма сравнения электронных структур, подготовка решений по сертификации и другим процедурам будут делаться на основе правил, заложенных в электронную структуру каждого объекта ТР.
• Появляется возможность использования и наследования моделей объектов ТР со стороны других систем предприятия, что постепенно позволит создать единое информационное пространство и работать в условиях кооперации и разделения функций.

Система может быть широко применена как методологическая и практическая основа для создания моделей разнообразных предметных областей (доменов), по отношению к которым применимо ТР. На основе созданной в системе технологии может быть создана более масштабная система для решения задач стандартизации, в которой будет производиться постепенное создание и наполнение сервера нормативных ресурсов формализованными структурами объектов ТР в формате разработанного компьютерного представления.

Для каждого предприятия на первом этапе до момента, когда модели начнут применяться к основным изделиям, предприятию надо двигаться в более простых шагах - применить машинное конфигурирование и верификацию к многочисленным классам компонентов изделия, отработать технологию управления требованиями на более простых объектах – материалах, компонентах. Это обязательный этап составления базы нормативных ресурсов, так как без БД компонентов с соответствующими конфигураторами само проектирование будет неполноценным. Далее, когда технология построения функциональных моделей из текстовых документов окончательно перейдет в конфигурируемые электронные структуры и докажет свою эффективность, можно двигаться и к функциональным моделям на уровне основных изделий.