Иерархическая многоагентная интеллектуальная система проектирования и управления технологическими процессами в организациях единичного и мелкосерийного производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИЕРАРХИЧЕСКАЯ МНОГОАГЕНТНАЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ОРГАНИЗАЦИЯХ ЕДИНИЧНОГО И МЕЛКОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Б.В. Палюх (pboris@tstu.tver.ru),

Г.Б. Бурдо(tehn@karotazh.ru)

Тверской государственный технический университет, Тверь

Изложены подходы к разработке интеллектуальной многоагентной системы автоматизированного проектирования и управления технологическими процессами в условиях единичного и мелкосерийного производства. Рассмотрена иерархия агентов их связи и функции.

проектирование автоматизированный производство мелкосерийный

Введение

В настоящее время машиностроительный комплекс отличается структурными перестройками, в первую очередь связанными с тем, что весьма значительная (40-50%) часть изделий машиностроения выпускается в условиях мелкосерийного (МСП) и единичного (ЕДП) типов производств. Тенденция продиктована требованиями потребителей продукции иметь то, что надо им в нужное время и в нужном объеме. Попытки перенести по отдельности САПР ТП и АСУТП, разработанных для условий крупносерийного и массового производств не привели к успеху [Дальский и др., 2000], [Колесов, 2001].

АСУТП оказались непригодными в связи с необходимостью перебора большого числа вариантов распределения технологических операций по рабочим местам (по причине широкой номенклатуры выпускаемых изделий и различием в сроках их изготовления), учета дополнительных параметров и агентов, динамики ситуации, складывающейся в производственных подразделениях; планирования на глубину до 2-3 дней, а иногда и практически в режиме реального времени, а не на достаточно большие периоды времени (до 2-3 месяцев). Опыт переноса САПР ТП показал, что в связи с малой степенью формализации принимаемых технологических решений, сокращение трудоемкости разработки новых технологических процессов составляет до 20 - 30% по сравнению с обычными «ручными» методами проектирования, к тому же качество разработок целиком определяется квалификацией пользователя [Ракович и др., 1997]; [Гувер и др., 1989], и отсутствуют связи с АСУТП. Следовательно, разработка концепций интеллектуальных систем проектирования технологических процессов и управления ими в организациях указанных типов машиностроительных производств является актуальной задачей.

Основная часть

Основой для разработки САПР ТП и АСУТП явился анализ связей, осуществляемых агентами-подразделениями производственной системы (ПС) предприятий на этапах технологической подготовки и выпуска изделий.

Управляемым объектом в ПС являются технологические подразделения (ТП). Разработка моделей и алгоритмов функционирования отдельных подсистем ПС требует выявления их функций, входных и выходных параметров.

Все процессы, происходящие в технологических подразделениях, находятся в теснейшей взаимосвязи, к примеру: увеличение загрузки только одного типа оборудования повлечёт за собой появление необоснованных заделов полуфабрикатов на станках, находящихся ранее по технологической цепочке, а уменьшение - к его простою.

Для гарантированного управления работой ТП в условиях неопределенности был использован аппарат интервального анализа [Кафоров и др., 1990]. Работа ТП в рамках интервалов параметров позволяет планомерно изготавливать продукцию в соответствие с календарными планами выпуска, обеспечивать пропорциональную загрузку оборудования и исключать появление в производстве узких мест, своевременно выполнять мероприятия, связанные с надёжностью протекания технологических процессов механической обработки, при этом исключая завышение параметров качества детали сверх оговариваемых чертежами и т.п.

При работе ТП случаи выхода параметров его работы за пределы допустимых областей могут быть следующие.

1. Несоответствие параметров качества изготавливаемых изделий требованиям чертежа. Анализ ситуаций позволяет обобщать опыт технологического проектирования, т.е. выполнять обучение.

2. Выход из строя металлорежущего оборудования.

3. Изменение фактической численности работающих по сравнению с расчётной, уменьшение (болезни, отпуска, увольнения) или превышение (преждевременный выход из отпуска, приём на работу и т.п.). Ситуация 2 и 3 приводит к одному результату: изменению фактического фонда времени по конкретным рабочим местам (операциям) по сравнению с расчётными, что приводит к изменению спрогнозированной ранее приблизительной пропорциональной загрузке рабочих мест и появлению узких участков или увеличению незавершенного производства.

4. Изменение загрузки разного типа оборудование сверх допустимого в пределах одного и того же календарного срока (3,5,7 дней). В этом случае анализируется суммарная трудоёмкость (или станкоёмкость) изделий (деталей), находящихся в очереди на данную группу рабочих мест, отнесённая к фактическому суточному фонду времени работы рабочего (оборудования).

5. Несоответствие фактических сроков выпуска изделий календарным планам, разработанным ранее в АСУТП.

Рассмотрим управление технологическими процессами (ТПр), осуществляемыми в ТП, как сложную многоагентную систему, представляемую агентами . Агент U₀ обозначает календарные планы выпуска изделий; U₁ - оборудование, на котором выполняются технологические операции; U₂ - рабочих, выполняющих технологические операции на оборудовании; U₃ - загрузку оборудования во времени; U₄ - качество изготавливаемых изделий.

Представим управляющую систему S (Рис.1), как совокупность агентов, осуществляющих информационные преобразования, и в совокупности выполняющих функцию управления ТПр.

Агент R₀ предназначен для управления календарными планами. Им реализуются две функции управления. Первая из них выявляет отклонения фактического календарного плана от фактического:

R₀₁ : х₀ Ч w₀> ?х₀ ,

где х₀ - множество значений информационных параметров, определяющих фактический календарный план; ?х₀ - множество отклонений от параметров ранее спрогнозированного (рассчитанного) календарного плана, ; w₀ - множество значений параметров, определяющих рассчитанный календарный план.

Вторая функция определяет управляющие воздействия, которые сводят к минимуму расхождения между фактическим и рассчитанными планами:

R₀₂ : w₀> у₀ ,

где у₀ - множество управляющих воздействий, направленных на реализацию (достижение) параметров рассчитанного календарного плана.

Агент R₁ служит для управления состоянием имеющегося парка оборудования, им реализуется две функции. Первая из них заключается в определении отклонения фактического состояния станочного парка от планового: R₁₁ : х₁ Ч w₁> ?х₁ ,

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1 Систем проектирования технологических процессов и управления (S) технологическими подразделениями.

где х₁ - множество значений параметров, определяющих фактическое состояние станочного парка; ?х₁ - множество отклонений параметров фактического состояния станочного парка от плановых, ; w₁ - множество значений параметров, описывающих плановое состояние металлорежущего оборудования.

Вторая функция оператора R₁ определяет управляющие воздействия, которые должны привести в нужное состояние станочную систему:

R₁₂ : w₁> y₁ ,

где у₁ - множество управляющих воздействий, направленных на достижение плановых показателей состояния металлорежущего оборудования.

Назначение агента R₂ - управление численностью рабочих, выполняющих операции на металлорежущем оборудовании. Его функция заключается в определении несоответствия между фактической и расчётной численностью работающих. Первая его функция R₂₁ :

R₂₁ : х₂ Ч w₂> ?х₂ ,

где х₂ - множество параметров, определяющих фактическое состояние численности рабочих, занятых на технологических операциях; w₂ - множество значений параметров, описывающих необходимое для выполнения плана состояние численности работающих; ?х₂ - множество значений отклонений параметров фактического состояния от плановой численности рабочих. Вторая функция R₂₂ определяет управляющие воздействия у₂, необходимые для приведения множества фактических параметров численности работающих в оптимальный с точки зрения выполнения работ технологическими подразделениями: R₂₂ : w₂ > у₂.

Агент R₃ производит управление загрузкой оборудования, занятого на технологических операциях. Смысл его действия состоит в пропорциональной загрузке по типам оборудования (токарные, фрезерные, сверлильные и т.п. станки), по группам (крупные токарные, средние токарные, малые токарные) и по конкретным рабочим местам. Агентом осуществляются две функции, имеющие схожий смысл. Первая из них заключается в выявлении несоответствия между плановой и фактической загрузкой оборудования по типам и группам:

R₃₁ : х₁ Ч х₃ Ч w₃> ?х₃₀ ,

где х₃ - множество значений параметров, определяющих фактическую загрузку оборудования; w₃ - множество значений параметров, определяющих плановую загрузку оборудования; ?х₃₀ - множество значений отклонений параметров фактической загрузки по типам и группам станков. Вторая функция состоит в определении несоответствия между плановой и фактической загрузкой по рабочим местам (отдельным операциям):

R₃₂ : х₁Ч х₂ Ч х₃ Ч w₃ > ?х₃₁ ,

где ?х₃₁ - множество значений отклонений параметров, фактической загрузки оборудования по операциям от плановой.

Агент R₄ управляет качеством выпускаемой продукции в рамках технологических подразделений, его две функции следующие. Первая состоит в определении степени несоответствия качества выпускаемой продукции требованиям чертежа:

R₄₁ : w₄₂ Ч х₄ > ?х₄ ,

где w₄₂ - множество значений параметров, отражающих чертёжные требования к качеству продукции; х₄ - множество значений параметров, определяющих фактическое состояние качества выпускаемой продукции; ?х₄ множество значений параметров, определяющих отклонение качества продукции. Вторая функция выявляет управляющие воздействия y₄, позволяющие ввести технологические подразделения в состояние, обеспечивающее выпуск качественной продукции:

R₄₂ : w₄₁ > у₄ ,

где w₄₁ - множество значений параметров состояния технологических

качества.

Агент С₀ выполняет следующие функции. Функция С₀₁ состоит в выделении значений параметров качества продукции, отражённых в технической документации на изделия:

С₀₁ : P₀ > w₄₂ ,

где P₀ - множество значений параметров, отражающих технические характеристики, параметры, структуру и свойства изделий, изготавливаемых в технологических подразделениях. Преобразование С₀₂ состоит в определении множества значений параметров состояния технологических подразделений, обеспечивающих изготовление продукции надлежащего качества, С₀₂ : P₀Ч?х₄>w₄₁ .

Третья функция состоит в осуществлении преобразования, заключающегося в синтезе информации Z^Т : о технологических процессах изготовления изделий и их структуре (составе операций); структуре операций (установы, переходы, используемый тип и группа оборудования); номенклатуре режущего, мерительного, и вспомогательного инструмента и оснастке; управляющих программах для оборудования с числовым программным управлением; данных по режимам резания и нормам времени и т.д. Индекс Т означает, что данная информация синтезируется в соответствии с временным параметром, отражающим необходимые сроки получения этой информации.

С₀₃ : P₀ЧТЧ?х₃₀Ч?х₄>Z^Т ,

где Z^Т - множество значений параметров, отражающих необходимые сроки получения информации о технологических процессах изготовления определённых изделий.

Агент С₁ является ядром комплексной системы и осуществляет следующие преобразования информации.

Составление календарного плана: С₁₁ : P₁Ч Z^Т Ч?х₃₁Ч?х_о>w_о,

где Р₁ - множество данных, содержащих сведения о номенклатуре выпускаемой продукции, её количестве и сроках её выпуска.

Определение плановой загрузки оборудования: С₁₂ : P₁ Ч?х₃₁ >w₃.

Функция С₁₃ состоит в определении множества сроков осуществления технологической подготовки Т для различных видов изделий, С₁₃ : P₁ >Т, а С₁₄ - в составлении на основе фактического состояния в производстве технологических подразделений и информации прогноза об ожидаемых сроках выпуска различных изделий, G: С₁₄ : ?х₀Ч?х₃₁ Ч Z^Т > G.

Подсистема верхнего уровня (агент D₀) осуществляет следующие действия. Функция D₀₁ состоит в определении значений параметров, описывающих численность работающих, оптимальную для выполнения плана:

D₀₁ : GЧNЧ?х₂ > w₂,

где N - множество сведений из системы высшего уровня, характеризующие номенклатуру, характеристики, состав и количество выпускаемых изделий за определённый календарный период (т.е. задание). Решение о численности рабочих должна принимать подсистема верхнего уровня в рамках S, поэтому указанная функция выполняется оператором D₀.

D₀₂ : NЧG>Р₁; D₀₃ : N >Р₀.

Ещё одна функция агента состоит в передаче систематизированных сведений в систему высшего уровня:

D₀₄ : GЧ?х₁Ч?х₂ >К,

где К - сведения о ситуации, сложившейся с выполнением задания и предпринимаемые мероприятия (Р₁, Р₀, w₁, w₂).

Последняя функция D₀₅ : G ЧNЧ?х₁ >w₁.

Допустимые значения интервалов ?х₁, ?х_2, ?х₃₀, ?х_31, могут быть определены методами имитационного моделирования, ?х₃₁ - работниками конструкторских и технологических подразделений организации.

Поскольку речь идёт о ТП единичного и МСП, то не может идти разговора о комплексно-автоматизированных (автоматических) производствах. В связи с этим решен вопрос о распределении функций между агентами в рамках выполняемых преобразований информации.

Функция R₀₁ должна выполняться автоматизированным способом (АСУТП), информация для неё о фактических сроках выполнения заданий (изготовления изделий и деталей) х₀, вводится в неё мастерами или диспетчерами производственных подразделений. Функция R₀₂ предусматривает распределение (доведение) заданий до конкретных исполнителей с учётом фактора реального времени, должна осуществляться мастерами.

Функция R₁₁ должна выполняться автоматизированно на основе данных о состоянии станочного парка х₁, вводимого в АСУТП мастерами по ремонту оборудования или мастерами производственных подразделений. Функция R₁₂ отрабатываются мастерами ремонтных и производственных подразделений.

Функция R₂₁ выполняется автоматизированно (АСУТП) на основе информации х₂ о фактической численности работающих и причинах их отсутствия (болезни, отпуска, вакансии и т.д.) по категориям и т.д., вводимой в АСУТП табельщиками. Функция R₂₂ осуществляется руководителем производственного подразделения (отзыв из отпуска, отправка в отпуск, набор или увольнение различных категорий рабочих и т.д.)

Функция R₃₁ и R₃₂ выполняется автоматически в АСУТП. Совокупность агентов R₁чR₃ можно назвать автоматизированной подсистемой диспетчирования технологических процессов в рамках интеллектуальной системы САПР ТП - АСУТП.

Функция R₄₁ выполняется контролёрами ОТК, данные вводятся в подсистему САПР ТП комплексной системы, а R₄₂ - работниками технологических подразделениями (технологами) и ОТК. Функция R₄₂ заключается в соответствующем технологическом и метрологическом обеспечении рабочего места, организации входного контроля полуфабрикатов, контроль за технологической дисциплиной; диагностика состояния технологической системы на рабочем месте.

Функция С₀₁ должна выполняться автоматически подсистемой САПР ТП, а функция С₀₂ - ей же в автоматическом или диалоговом режиме. Следовательно агент С₀ соответствует по смыслу подсистеме САПР ТП и технологическим подразделениям организации.

Функции С₁₁, С₁₂, С₁₃ должны осуществляться автоматически или с допущением диалогового режима. Они являются основными функциями АСУТП. Составление прогноза (С₁₄) может производиться автоматически или в диалоговом режиме методом имитационного моделирования. Таким образом агенту С₁ можно поставить в соответствие подсистему календарного планирования АСУТП.

Функция D₀₂ и D₀₃ могут быть реализованы как в автоматическом, так и в диалоговых режимах, а D₀₄ - в диалоговом режиме. Функция D₀₄, как и D₀₁ - это прерогатива заместителя начальника подразделения по производству. Последнюю функцию (D₀₅) осуществляет заместитель начальника подразделения по оборудованию. Таким образом, агент D₀ соответствует по смыслу подсистеме объёмного (укрупнённого) планирования АСУТП.

Следует отметить, что управление осуществляется путём комплексного воздействия на состояние в ТП со стороны АСУТП и САПР ТП. Комплексность позволяет создавать благоприятные для управления условия (пропорциональность загрузки оборудования) уже на этапе разработки ТПр.

Важным с точки зрения создания методологии проектирования САПР ТП и АСУТП должен явиться учёт ряда принципов, которые должны быть положены в основу при их разработке.

Принципы построения САПР ТП:

1. Сокращение трудоемкости технологической подготовки производства за счет высокой степени формализации процесса принятия решений.

2. Подетальное представление ТПр, так как с позиций управления он задает временной способ функционирования рабочего оборудования.

3. Учет динамики производственной ситуации в ТП.

4. Возможность обучения системы, т.е. накопление и обобщение опыта разработок, и его использование в последующей деятельности (наличие искусственного интеллекта).

Принципы построения АСУТП:

1. Быстрота расчетов за счет применения интеллектуальных моделей.

2. Гибкая перестройки процесса принятия решения по результатам анализа текущего состояния в ТП.

3. Возможность обучения.

Заключение

Соблюдение выявленных принципов при разработке систем САПР ТП - АСУТП позволило создать эффективное инструментальное средство, позволяющее повысить технико-экономические показатели и улучшить ритмичность работы ТП в условиях ЕДП и МСП, добиться возможности управления ими практически в режиме реального времени, поднять качество технологических и управленческих решений на принципиально новый уровень.

Указанный подход реализуется в одной из организаций г. Твери, занимающейся выпуском малыми партиями геофизических приборов для исследования нефтяных и газовых скважин.

Список литературы

[Гувер и др., 1989] Грувер М., Зиммерс Э. САПР и автоматизация производства: Пер. с английского. - М.: Мир, 1989.

[Дальский и др., 2000] Дальский А.М., Суслов А.Г., Назаров Ю.Ф. и др. Машиностроение. Энциклопедия. Т.III-3. Технология изготовления деталей машин /. Под общ. ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2000.

[Колесов, 2001] Колесов И.М. Основы технологии машиностроения. - М.: Высшая школа, 2001.

[Кафоров и др., 1990] Кафаров В.В. Палюх Б.В., Петров В.Л. Решение задачи технологической диагностики непрерывного производства с помощью интервального анализа// Доклады АН СССР, 1990, Том 311, №3.

[Ракович и др., 1997] Ракович А.Г., Горанский Г.К., Губич Л.В., Махнач В.И. и др. Автоматизация проектирования технологических процессов и средств оснащения. - Минск: ИТК АН. Белоруси, 1997.

Размещено на Allbest.ru