книги / Робот. Компьютер. Гибкое производство

фическими символами указывается также тип транспорт­ ной системы. Программные средства интерфейса преобра­ зуют наглядное, легко воспринимаемое проектировщиком условное графическое изображение структуры ГПС во внутреннее машинное представление, которое хранится в базе данных. Затем начинается текстовая часть диалога с проектировщиком, в процессе которой он вводит в базу данных информацию о параметрах и настройке оборудо­ вания, о технологии изготовления всех типов изделий, а также плановое задание по объемам и номенклатуре изделий на определенный период времени. Системе сооб­ щаются также требования к ГПС. Текстовая часть диало­ га инициируется самой системой, т. е. диалог идет по принципу вопрос—ответ, причем вопросы задает система. На этом ввод данных заканчивается и начинается поша­ говое моделирование вариантов ГПС.

На первом шаге процедура «Анализ обрабатывающе­ го оборудования» рассчитывает верхнюю оценку произво­ дительности ГПС, время выполнения планового задания, коэффициенты загрузки оборудования. Если какой-либо из показателей оказался ниже требуемого, пользователю предоставляется возможность внести изменения, которые, по его мнению, могут улучшить неудовлетворяющие его значения показателей функционирования ГПС. Это могут быть качественные и количественные изменения состава оборудования, его наладки и размещения. Для отыскания этих параметров проектировщик может воспользоваться программами решения функциональных задач, с помощью которых оптимизировать настройку, размещение оборудо­ вания и другие параметры. Однако напомним, что опти­ мальное решение не всегда может оказаться приемлемым, так как в формальной постановке трудно учесть все ре­ ально существующие ограничения и критерии. Процеду­ ры внесения изменений и анализа повторяются до тех пор, пока не будут достигнуты требуемые показатели.

На следующем шаге работает процедура «Анализ транспортной системы», которая рассчитывает верхнюю, нижнюю и наиболее вероятную оценки загрузки транс­ портной системы. Определяются также доли времени, ко­ торое будет затрачивать транспорт на обслуживание каждой единицы оборудования. На этом шаге пользова­ тель может варьировать параметры транспортной системы и размещение оборудования до тех пор, пока загрузка транспорта не удовлетворит его. Заметим, что рассчитан­ ные на этом шаге значения загрузки получены в предпо­

141

ложении, что емкости накопителей неограниченны. Огра­ ничение емкостей накопителей увеличит нагрузку на транспорт. Поэтому второй шаг можно рассматривать как грубый синтез параметров транспортной системы. Более точный синтез осуществляется на третьем шаге. Здесь пользователь выбирает емкости пристаночных и опера­ тивных накопителей. Это весьма ответственная и сложная задача. Дело в том, что проектировщик, как правило, стремится минимизировать емкость накопителей; ведь де­ тали в накопителях — это омертвленные на время затра­ ты. Но, с другой стороны, неоправданно малая емкость накопителей приводит к перегрузке транспорта и, как следствие, к простоям обрабатывающего оборудования в ожидании обслуживания, т. е. к снижению производи­ тельности.

При решении этой задачи проектировщик должен учи­ тывать большое число самых разнообразных факторов и критериев. Среди них форма и особенности площадки, на которой располагается оборудование, тип транспорт­ ной системы, стоимости накопителей и транспортных средств, особенности управления технологическим процес­ сом. Большинство из этих факторов очень трудно выра­ зить формально, тем более что в каждом конкретном слу­ чае они носят индивидуальный характер. Поэтому задачу трудно формализовать, но опыт показывает, что с по­ мощью описываемой системы проектировщик за короткое время отыскивает достаточно эффективные решения.

Заметим, что характер работы с системой экспресссинтеза позволяет исключить в явном виде процесс гене­ рации вариантов. Этот процесс как бы распределен по всем уровням моделирования. Практика показывает, что после экспресс-синтеза для дальнейшего исследования проектировщик оставляет обычно два, три варианта.

Система гарант ирую щ его синтеза. Основное отличие этой системы от предшествующей в том, что она должна строиться на математических моделях, принципиально позволяющих обеспечить любую требуемую пользовате­ лем точность моделирования. Такими моделями являются, например, имитационные. Характерной чертой этих мо­ делей является то, что они, по сути, представляют собой прямой математический аналог моделируемого объекта. Процесс, протекающий в имитационной модели, называ­ ют имитационным экспериментом. Он воспроизводит про­ цесс в моделируемом объекте, т. е. в данном случае процесс функционирования исследуемого варианта ГПС.

142

Поэтому очевидно, что точность моделирования зависят от степени детальности описания моделируемого объекта. Этим и объясняется принципиальная возможность полу­ чить требуемую точность при имитационном моделирова­ нии. Однако точность, конечно, не дается бесплатно. Ими­ тационные модели более трудоемки в построении, а ими­ тационный эксперимент занимает значительное время.

Для получения интересующих пользователя характе­ ристик процесса функционирования нужно как бы на­ блюдать за процессом в имитационной модели, записы­ вать, а потом математически обрабатывать результаты наблюдений. Функции наблюдателей берут на себя спе­ циальные программные средства, называемые интерпре­ таторами имитационного эксперимента. Используются два типа интерпретаторов: статистические и семантические.

Статистические интерпретаторы собирают и обраба­ тывают данные, на основе которых вычисляются средние значения характеристик процесса функционирования ГПС на определенном (как правило, достаточно продолжитель­ ном) интервале времени. Этими характеристиками могут быть средняя производительность, коэффициенты загруз­ ки оборудования, суммарное время простоя и блокировки обрабатывающего оборудования в ожидании транспорта или из-за отказов оборудования.

Семантические интерпретаторы анализируют текущее состояние модели в процессе всего имитационного экспе­ римента. С их помощью в каждый момент имитации мож­ но узнать, что происходит в любом элементе ГПС. Се­ мантические интерпретаторы можно использовать для трассировки материальных потоков, идентификации осо­ бых состояний, например, отказов оборудования. Но наи­ более интересным является использование семантических интерпретаторов для наглядного отображения процесса функционирования ГПС на экране графического дисплед. Для этого на экране дисплея рисуется схема размещения оборудования моделируемой ГПС. Каждый элемент этой схемы представляет собой графический объект, который с помощью средств машинной графики можно перемещать по пространству экрана. Эти средства позволяют менять окраску графических объектов, наносить на них опреде­ ленные символы и выполнять ряд других графических манипуляций. В процессе имитационного эксперимента семантические интерпретаторы совместно со специальны­ ми средствами машинной графики синхронно с процессом отображают на экране графического дисплея динамиче­

143

ские процессы и текущее состояние элементов ГПС. Вы­ бор информации, которую целесообразно отображать в графическом виде, определяется спецификой моделируе­ мой производственной системы и задачами моделирова­ ния. При синтезе ГПС чаще всего на экране воспроизво­ дятся перемещения транспортных средств, при этом цве­ том или символом обозначается тип транспортируемой детали. На схематическом изображении обрабатывающего оборудования в специальном окне записывается код опе­ рации, которая выполняется в данный момент времени. На графической схеме отображают информацию о состоя­ нии накопителей (что и в каком количестве в данный мо­ мент в них находится). Цветом, в который окрашен объ­ ект схемы, обозначают состояние этого объекта в данный момент (работоспособен, отказал и ждет восстановления, восстанавливается). Специальные символы используются также для обозначения моментов, в которые оборудова­ ние простаивает в ожидании транспорта.

Это далеко не полный перечень информации, которую можно отобразить на экране графического дисплея для наглядного представления технологического процесса в моделируемой ГПС.

Наблюдая за технологическим процессом на экране, проектировщик получает представление об особенностях функционирования создаваемой им производственной си­ стемы. Это весьма ценная информация, так как стратистические характеристики позволяют оценить качество варианта ГПС, но, как правило, по ним трудно понять, почему получены именно такие характеристики, а значит, и принять решения о внесении изменений.

Широкие возможности имитации, сфера использова­ ния которой далеко не ограничивается рамками анализа и синтеза производственных систем, стимулировали раз­ работку специальных языков имитационного моделирова­ ния. Наибольшее распространение у нас в стране получи­ ли такие языки, как GPSS, Симула, Симфор. Достоинст­ вом этих языков являются универсальность, наличие раз­ витых сервисных средств, упрощающих сбор и обработку статистических данных. Однако построение модели и про­ ведение имитационного эксперимента с использованием этих языков требуют от пользователя высокого уровня квалификации, которым проектировщик в большинстве случаев не обладает. Известны примеры создания диало­ говых программных систем, которые упрощают непро­ граммирующему пользователю процесс построения моде­

144

ли и проведения имитационного эксперимента. Однако громоздкость таких программных средств сильно ограни­ чивает возможность их использования на персональных компьютерах.

Часто оказывается целесообразным использовать про­ блемно-ориентированные языки имитационного моделиро­ вания, разработанные специально для определенной предметной области. Построенные на их основе программ­ ные системы отличаются компактностью, высокой вычис­ лительной эффективностью, широкими возможностями семантической интерпретации. В последние годы внима­ ние исследователей привлекают сети Петри как удобный, наглядный аппарат моделирования дискретных систем. Сложились два направления использования сетей Петри для моделирования производственных систем. Первое связано с аналитическим исследованием сетевой модели с целью определения некоторых характеристик объекта моделирования. Чаще всего эти исследования направлены на поиск особых состояний производственной системы, которые интерпретируются как нарушения нормальных режимов функционирования. Второе направление — построение сетевых имитационных моделей для исследо­ вания самых различных аспектов функционирования про­ изводственной системы. Опыт показал, что сети Петри могут быть весьма эффективным аппаратом имитации в том случае, если их синтаксис модифицирован в соот­ ветствии с целями моделирования и спецификой объекта.

В описываемом моделирующем комплексе система га­ рантирующего синтеза выполнена в форме системы ими­ тационного моделирования, использующей в качестве ап­ парата моделирования модифицированные специальным образом сети Петри. Ее структура изображена на рис. 5.

Работа с системой начинается с введения в базу дан­ ных дополнительной информации, требующейся для про­ ведения имитационного эксперимента. В графической фазе диалога вводится подробная информация о структу­ ре ГПС. Проектировщик вновь строит схему размещения оборудования, однако на этот раз она детальнее, носит менее условный характер, чем та, которая использовалась в системе экспресс-синтеза. По своему графическому виду схема близка к той, которая обычно используется в технической документации. При проведении имитацион­ ного эксперимента эта же схема служит для наглядного представления процессов функционирования моделируе­ мой ГГ1С. В текстовой части диалога в базу данных вво-

Рис. 5. Структура системы имитационного моделирования

дится информация о правилах, по которым происходит управление материальными потоками (потоками деталей, инструментов, материалов) в ГПС. Эта информация не требовалась при экспресс-синтезе в силу оценочного ха­ рактера математических моделей. В имитационном экспе­ рименте, как отмечалось выше, копируется реальный технологический процесс, а это значит, что все функции управления должны воспроизводиться при моделировании с максимальным приближением к реальности. В систему вводятся также данные, характеризующие надежность отдельных элементов ГПС, которые необходимы для мо­ делирования отказов.

После того как вся дополнительная информация введе­ на в базу данных, начинается автоматическая генерация имитационной модели. В процессе генерации модель как бы собирается из отдельных блоков —модулей. Модуль

146

представляет собой модель определенного элемента ГПС, например, обрабатывающего центра, накопителя, транс­ портного робокара, робота-загрузчика и т. д. Модули хранятся в библиотеке, которая создается специалистами в области математического моделирования при адаптации моделирующего комплекса для работы в определенной предметной области. Перечень модулей покрывает всю номенклатуру типов используемого оборудования. Может показаться, что библиотека используемых модулей долж­ на быть очень обширной, чтобы содержать все элементы, необходимые проектировщику. Но это не так. Дело в том, что модуль состоит из двух частей: структурной и пара­ метрической. Структурная часть моделирует логику функ­ ционирования данного элемента ГПС, а параметрическая содержит количественные характеристики элемента, т. е. его параметры. В библиотеке хранится структурная часть модуля и список параметров, которые его характеризуют (без указания их значений).

С точки зрения логики функционирования различные представители группы однородных элементов ГПС, как правило, неразличимы. Например, разнообразные типы обрабатывающего оборудования выполняют логически однородную последовательность действий: установ детали, выбор необходимого инструмента, выполнение технологи­ ческой операции, смену инструмента, выполнение следую­ щей операции и т. д. В различных по типу станках и при разных технологиях меняются время выполнения опера­ ции, тип используемого инструмента, время его смены, емкость магазина инструментов и т. д., технологические и технические параметры. Следовательно, можно создать несколько типовых модулей, покрывающих логику функ­ ционирования всех типов обрабатывающего оборудова­ ния, используемого в данной предметной области. Все ска­ занное в равной степени относится и к транспортной си­ стеме и ко всем другим видам оборудования.

Модульный принцип построения имитационной моде­ ли и структура самого модуля определяют характер гене­ рации имитационной модели, которая состоит из двух фаз. Первая фаза —настройка модулей, в процессе которой из базы данных извлекается информация о характеристиках оборудования. На основе этой информации заполняется список параметров определенного модуля значениями этих параметров, после чего типовой модуль становится моделью конкретного элемента ГПС. Таким образом со­ здаются пока еще не связанные между собой модели всех

6* 147

ГИБКАЯ СБОРКА: ФАНТАЗИЯ И РЕАЛЬНОСТЬ

В. Г. ТИМКОВСКИЙ

Вся уйма работы, для которой мы

сейчас используем людей, - это ра­ бота, в действительности делаемая лучше машинами.

Я. Винер

Что такое «гибкая сборка» или «гибкое сборочное произ­ водство»? Чем оно отличается от обычного? Как его со­ здать? Чтобы ответить на эти вопросы, обратимся преж­ де всего к фантазии, которая всегда лежала в основе замечательных идей.

Фантазия

В п о л н е возм ож ная сит уация. Чредставьте себе, что вы являетесь лучшим специалистом по технологии сборки на одном из заводов машиностроительной отрасли. Однажды в понедельник ваше начальство доверительно сообщает вам, что принято решение наладить на заводе поточную сборку изделий типов Х13/ЧАВО-004,..., Х13/ЧАВО-097 н что вам поручается это ответственное дело. Вам сооб­ щают также срок, к которому все должно быть готово, а за инструкциями вас направляют в соответствующий отдел. Оказанное доверие вызывает у вас большой энту­ зиазм и вы, предвкушая радость творчества, незамедли­ тельно отправляетесь за инструкциями. Однако в соответ­ ствующем отделе вам говорят: «По установленным пра­ вилам чертежи и опытные образцы изделий серии Х13/ /ЧАВО будут получены только в день заказа на изго­ товление. Известно только, что эти изделия собираются из твердых деталей, а в собранном виде они могут по­ меститься в обычном портфеле...». И это все!

После таких слов вы ощущаете, что ваш энтузиазм заметно поубавился. Как специалист вы прекрасно пред­ ставляете, что, получив такую информацию, выполнить.

• 149

порученное дело невозможно —и не только к назначен­ ному сроку, а даже в обозримом будущем.

Притча о чудаковат ом изобретателе. Вникнув в ваше глупейшее положение, один из ваших коллег, надеясь не­ много отвлечь вас, рассказывает: «Слышал от ветеранов завода притчу о чудаковатом изобретателе, который изоб­ рел и смастерил машину под названием «РМУ-1» (разборочная машина универсальная-1). Его фамилию уже никто не помнит, а работал он здесь же, на заводе, в те времена, когда кибернетика считалась буржуазной лже­ наукой. Его машина оправдывала свое название, посколь­ ку она разбирала все, что ей не подсунешь. Особенно хорошо она справлялась с конструкциями из твердых де­ талей размером с портфель, не более...».

В этом месте рассказа вашего коллеги вы слабо усме­ хаетесь, отметив про себя случайное совпадение, но пока не придаете этому никакого значения.

«Говорят, что все обхохотались,—продолжает ваш кол­ лега,—когда эта РМУ-1 расправилась даже со шкатул­ кой, запертой на ключ. В те времена такие эксперименты не одобряли: сказали, что все это напоминает плохую на­ уку кибернетику и вообще может привести к нарушению закона. Чудаковатый изобретатель не вынес такого отно­ шения к своему детищу и вскорости умер. РМУ-1 стала забавой ребятишек, которые давали ей разбирать разные игрушки и в конце концов сломали. Потом ее отнесли на склад ненужных вещей, что на проходной, и забыли про нее. Вполне возможно, что РМУ-1 до сих пор там стоит среди прочего ненужного хлама».

К а к использоват ь р а зб о р о чную м а ш и н у д л я сб о р ки . Поблагодарив коллегу за участие и распрощавшись с ним, вы невольно начинаете думать о РМУ-1 вместо того, чтобы думать о порученном деле. Но вы ничего не можете поделать, поскольку ваше подсознание связано мыслью с образами чего-то твердого и портфеля. Благо­ даря этой связке, у вас возникает идея как-то использо­ вать в вашем положении РМУ-1. «Пусть она не собирает, а только разбирает, зато она может работать с тем, что мне надо»,—думаете вы. Вдруг вас осеняет: «Наконец, РМУ-1 может разобрать на части опытный образец зака­ занного изделия, а я подсмотрю, как она это делает, и уж как-нибудь догадаюсь, как можно делать то же са­ мое в обратном порядке у нас на заводе. На такую до­ гадку мне, специалисту, потребуется совсем мизерное время, а главное —это выиграть время».

150