Управление инженерными данными на этапе концептуального проектирования ракеты-носителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

V

1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

МАГИСТРА

магистерская программа “Проектирование и конструирование ракетно-транспортных систем”

Тема: УПРАВЛЕНИЕ ИНЖЕНЕРНЫМИ ДАННЫМИ НА ЭТАПЕ КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ

Научный руководитель

доцент, к.т.н. Горячев О.А.

Магистрант

Паршин С.С.

Самара 2014

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка:126 стр., 82 рис., 25 источников, 3 приложения.

ЕДИНОЕ ИНФОРМАЦИОННОЕ ПРОСТРАНСТВО, ЖЦИ, ИПИ-ТЕХНОЛОГИИ, PDM СИСТЕМА, УПРАВЛЯЮЩАЯ СТРУКТУРА ИЗДЕЛИЯ, УПРАВЛЯЮЩАЯ СБОРКА ПРОЕКТАНТА, ПРОЦЕСС СОГЛАСОВАНИЯ, CREO ELEMENTS, ЭЛЕКТРОННЫЕ МОДЕЛИ, ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ, САПР, ТРЕБОВАНИЯ К МОДЕЛИРОВАНИЮ, СБОРКА, ДЕТАЛЬ, НИСХОДЯЩЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СКВОЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ, РАКЕТА-НОСИТЕЛЬ, КАРКАСНАЯ МОДЕЛЬ, КОПИЯ ГЕОМЕТРИИ, ПЛАНИРОВАНИЕ РАБОТ, УПРАВЛЯЮЩАЯ СТРУКТУРА, ПРОЕКТАНТ, КОСТРУКТОР, ПРОЕКТИРОВАНИЕ СНИЗУ ВВЕРХ, СТАНДАРТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ, ИМЕНОВАНИЕ УЗЛОВ.

В данной выпускной квалификационной работе предлагается рассмотреть процесс проектирования в ракетно-космическом центре "ЦСКБ - Прогресс". В данной работе, как пример, представлена разработка отсека бака горючего блока ступени РН, отработан процесс автоматизированного управления инженерными данными.

Для организации работы использована методика нисходящего проектирования. Данная методика применяется к деятельности проектного отдела. Разработаны требования, предъявляемые к организации работ по нисходящему проектированию.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АСУП - Автоматизированная Система Управления Предприятием

БП - Бизнес-Процесс

ВГ - Внешняя Геометрия

ГПО - Головной Проектный Отдел

ГР - Модель Границ

ЕИП - Единое Информационное Пространство

КА - Космический Аппарат

КБ - Конструкторское Бюро

КГЧ - Космическая Головная Часть

КД - Конструкторская Документация

КРН - Конструкция Ракеты-Носителя

ЛЗ - Лист Запуска

МГП - Мастер - Геометрия Проектанта

МРП - Модель Распределения Пространства

НИОКР - Научно - Исследовательская и Опытно-Конструкторская Работа

НИР - Научно - Исследовательская Работа

ОКР - Опытно - Конструкторская Работа

ПЗ - Полётное Задание

ПН - Полезная Нагрузка

РКК - Ракетно - Космический Комплекс

РКН - Ракета Космического Назначения

РН - Ракета-Носитель

САПР - Система Автоматизированного Управления Предприятием

СЗБ - Сборочно-Защитный Блок

ТЗ - Техническое Задание

ТП - Техническое Предложение

ТР - Техническое Решение

ТТЗ - Тактико - Техническое Задание

ТЧ - Теоретический Чертёж

УМ - Управляющая Модель

УСП - Управляющая Сборка Проектанта

ФИД - Форма Исходных Данных

ЭМ - Эскизная Модель

ЭЦП - Электронно-Цифровая Подпись

aVAD - adaptive Value Added Chain Diagram -адаптивная диаграмма цепочки процессов, добавляющих стоимость

aeEPC - adaptive extended Event Driven Process Chains - адаптивная расширенная цепочка процесса, управляемого событиями

CAD - Computer Aided Design - компьютерное проектирование

OCL - язык описания ограничений -- формальной проверки правильности

PDM - Product Data Management -- управление данными о продукте

UML-Unified Modeling Language- язык визуального моделирования, основанный на объектно-ориентированном подходе

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОЦЕССА КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАКЕТЫ - НОСИТЕЛЯ
• 1.1Нисходящее проектирование
• 1.1.1 Параллельное проектирование
• 1.1.2 Последовательное проектирование (нисходящее и восходящее)
• 1.1.3 Спиральная модель
• 1.1.4 Сравнительный анализ методов проектирования
• 1.2Методологии моделирования БП
• 1.2.1Методология UML
• 1.2.2 Методология ARIS
• 1.3 Моделирование процесса нисходящего проектирования изделия (диаграммы ARIS и UML)
• 1.3.1 Моделирование процесса нисходящего проектирования изделия; диаграммы ARIS
• 1.3.2 Моделирование процесса нисходящего проектирования изделия; диаграмма UML(диаграмма состояний)
• 1.4 Ракета - носитель как объект проектирования (назначение, особенности проектирования, возникающие сложности)
• 1.5 Постановка задачи дипломной работы
• 2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА НИСХОДЯЩЕГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
• 2.1 Основы концептуального проектирования
• 2.2 Моделирование процесса концептуального проектирования РН «как есть»; документооборот внутри проектного отдела
• 2.2.1 Модель процесса концептуального проектирования «как есть»
• 2.2.2 Нотация aeEPC
• 3. РЕАЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫМИ ДАННЫМИ
• 3.1 Программные продукты, используемые при реализации управления инженерными данными
• 3.1.1 Creo Elements (Pro/ENGINEER)
• 3.1.2 Windchill PDMLink
• 3.2 Разработка управляющей сборки проектанта
• 3.2.1 Разработка блок схемы управляющей структуры проектанта для изделия типа ракета - носитель
• 3.2.2 Описание блок - схемы управляющей структуры проектанта для изделия типа ракета-носитель
• 3.2.3 Создание управляющей сборки проектанта
• 3.2.4 Создание теоретического чертежа
• 3.3Процесс согласования проектной документации в Windchil
• 3.3.1 Описание процесса согласования ПД
• 3.3.2 Описание ролей
• 3.3.3 Авторизация в системе Windchill
• 3.3.4 Запуск процесса «Согласование ПД»
• 3.3.5 Проверка документации
• 3.3.6 Согласование документации
• 3.3.7 Утверждение документации
• 3.3.8 Отправка документации во входной контроль и в архив
• 4. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ
• ВЫВОДЫ О ПРОДЕЛАННОЙ РАБОТЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
• ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Вплоть до конца предыдущего столетия вся конструкторская и технологическая документация разрабатывалась на бумаге. Ее созданием вручную были заняты инженеры, техники, служащие на промышленных предприятиях, в государственных учреждениях, коммерческих структурах. С появлением персональных компьютеров началась разработка и широкое внедрение средств и систем автоматизации выпуска бумажной документации:

ѕ программные системы геометрического моделирования и автоматизации конструкторских работ CAD (Computer-Aided Design) или системы автоматизированного проектирования (САПР) -- для изготовления сборочных, рабочих и габаритных чертежей, спецификаций, схем и т. д.;

ѕ программные системы CAE (Computer-Aided Engineering) -системы инженерного моделирования, анализа и оптимизации, реализующие метод конечных элементов. Наиболее эффективными в мире системами CAE являются программные продукты MSC.Software Corporation - Nastran,Marc, Adams, Dytran и другие;

ѕ программные системы CAM (Computer-Aided Manufacturing)- системы технологической подготовки производства с использованием ЭВМ.

ѕ системы автоматизированного управления производством (АСУП) -- для создания планов производства и отчетов о его ходе;

ѕ офисные системы -- для подготовки текстовых и табличных документов и т. д.

ѕ интегрированные CAD/CAE/CAM системы-системы. [1]

По мере усложнения изделий происходит резкий рост объема технической документации. Сегодня он измеряется десятками тысяч форматов А4, а по некоторым изделиям (например, РН) -- тоннами. При использовании бумажной документации возникают значительные трудности при поиске необходимых сведений, внесении изменений в конструкцию и технологии изготовления изделий. Возникают ошибки и разночтения, на устранение которых затрачивается значительное время. В результате падает эффективность процессов разработки, производства, эксплуатации, обслуживания, ремонта сложных наукоемких изделий. Возникают трудности при сдаче изделий представителю заказчика.

Для преодоления этих трудностей потребовались новые концепции и новые идеи. Среди них основной стала идея информационной интеграции стадий жизненного цикла изделия, которая и легла в основу CALS.

CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support -- непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла) означает совокупность принципов и технологий информационной поддержки жизненного цикла продукции на всех его стадиях. Русскоязычный аналог понятия CALS -- Информационная Поддержка жизненного цикла Изделий (ИПИ).

Цель внедрения CALS -- минимизация затрат в ходе жизненного цикла изделия, повышение его качества и конкурентоспособности.

Идея CALS состоит в отказе от бумажных носителей, на которых осуществляется традиционный документооборот, и переходе к интегрированной информационной среде, охватывающей все стадии жизненного цикла изделия. Информационная интеграция заключается в том, что все автоматизированные системы, применяемые на различных стадиях жизненного цикла, оперируют не с традиционными документами и даже не с их электронными отображениями (например, отсканированными чертежами), а с формализованными информационными моделями, описывающими изделие, технологии его производства и использования. Эти модели существуют в интегрированной информационной среде в специфической форме информационных объектов. Системы, которым для их работы нужны те или иные информационные объекты, по мере необходимости могут извлекать их из интегрированной информационной среды, обрабатывать, создавая новые объекты, и помещать результаты своей работы в ту же интегрированную информационную среду. [2]

Интегрированная информационная среда представляет собой совокупность распределенных баз данных, в которой действуют единые, стандартные правила хранения, обновления, поиска и передачи информации, через которую осуществляется безбумажное информационное взаимодействие между всеми участниками жизненного цикла изделия. При этом однажды созданная информация хранится в интегрированной информационной среде, не дублируется, не требует каких-либо перекодировок в процессе обмена, сохраняет актуальность и целостность. [3]

Очевидно, что такой подход представляет собой своего рода революцию в организации взаимодействия всех участников жизненного цикла сложных наукоемких изделий.

Революционность подхода состоит в том, что многие поколения конструкторов и технологов, воспитаны на основе совершенно другой культуры, базирующейся на сотнях стандартов ЕСКД, ЕСТД, СРПП, детально регламентирующих ведение дел с использованием бумажной документации. В условиях применения CALS эта культура должна претерпеть коренные изменения:

ѕ появляются принципиально новые средства инженерного труда;

ѕ полностью изменяется организация и технология инженерных работ;

ѕ должна быть существенно изменена, то есть, дополнена и частично переработана нормативная база;

ѕ тысячи специалистов должны быть переучены для работы в новых условиях и с новыми средствами труда.

К настоящему времени CALS - технологии образуют самостоятельное направление в области информационных технологий.

Технологии, стандарты и программно-технические средства CALS обеспечивают эффективный и экономичный обмен электронными данными и безбумажными электронными документами, что дает следующие преимущества:

ѕ возможность параллельного выполнения сложных проектов несколькими рабочими группами (параллельный инжиниринг), что существенно сокращает время разработок;

ѕ планирование и управление многими предприятиями, участвующими в жизненном цикле продукции, расширение и совершенствование кооперационных связей (электронный бизнес);

ѕ резкое сокращение количества ошибок и переделок, что приводит к сокращению сроков реализации проектов и существенному повышению качества продукции;

ѕ распространение средств и технологий информационной поддержки на послепродажные стадии жизненного цикла - интегрированная логистическая поддержка изделий.

Как видим, внедрение CALS - технологий приводит к существенной экономии и получению дополнительной прибыли. Поэтому эти технологии и их отдельные компоненты широко применяются в промышленности развитых стран. [4]

Одним из предприятий занимающихся активным внедрением CALS технология является «ЦСКБ - Прогресс». Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ - Прогресс" - ведущее российское предприятие по разработке, производству и эксплуатации РН среднего класса и автоматических космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли и научного назначения. На предприятии реализуется большая часть ЖЦИ: от маркетинга до сдачи в эксплуатацию. В настоящее время на предприятии «ЦСКБ - Прогресс» осуществляется программа по внедрению цифровых технологий и совершенствованию методов проектирования и хранения данных об изделиях. В рамках этой программы происходит интеграция САПР КОМПАС (ОАО «Аскон-Самара») и системы Creo Elements(ООО «ПТС»). Система управления жизненным циклом продукции «Лоцман» интегрирована с более совершенной системой -- Windchill PDM Link.В будущем планируется полный переход на решения систем Creo и Windchill.

В настоящей работе описывается, каким образом осуществляется информационная поддержка производственной деятельности одного из подразделений предприятия «ЦСКБ - Прогресс» - проектного отдела. К целям проводимой работы относятся:

ѕ показать необходимость применения бизнес - моделирования для автоматизации производственного процесса;

ѕ показать эффективность использования нисходящего проектирования РН;

ѕ показать эффективность применения в совокупности CAD - системы и PDM - системы.

Использование нисходящего проектирования предусматривает создание многоуровневой управляющих структуры, содержащей всю основную геометрию и базовые параметры проектируемого изделия. В основе Управляющей структуры лежат модели мастер-геометрии (скелетоны). Данные из мастер-геометрии верхнего уровня передаются на нижестоящий и дополняются уточняющей геометрией, позволяя таким образом сформировать концептуальную схему проектируемого изделия. Разветвленная схема Управляющей структуры дает возможность организовать параллельную работу разных подразделений проектантов и конструкторов. Заключительным этапом является создание реальных конструкторских моделей деталей и узлов со ссылками на мастер-геометрию и выпуск конструкторской документации.

Методология нисходящего проектирования используется для вновь создаваемых изделий, требующих проектно-конструкторских работ, с целью эффективного организации управления данными и конструкторскими изменениями.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОЦЕССА КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАКЕТЫ - НОСИТЕЛЯ

1.1 Нисходящее проектирование

ракетный космический инженерный автоматизированный

Проектирование - процесс создания проекта, прототипа, прообраза предполагаемого или возможного объекта, состояния.

В технике - разработка проектной, конструкторской и другой технической документации, предназначенной для осуществления строительства, создания новых видов и образцов. В процессе проектирования выполняются технические и экономические расчёты, схемы, графики, пояснительные записки, сметы, калькуляции и описания.

Проект - комплект указанной документации и материалов (определённого свойства), результат проектирования. Проект какого-либо объекта может быть индивидуальным или типовым.[5]

При разработке индивидуальных проектов широко применяются типовые проектные решения.

Проект должен содержать:

ѕ общий замысел;

ѕ план создания изделия;

ѕ конкретные технические решения по бортовым системам, агрегатам, элементам.

Затраты на выполнение собственно проекта составляют 5-10 % от общих затрат на создание изделия, включающего кроме проектирования:

ѕ подготовку производства;

ѕ изготовление опытных образцов;

ѕ экспериментальную отработку.

Процесс проектирование один из самых важных этапов в ходе создания изделия. Ошибки на этапе проектирования самые "дорогие". Соотношение затрат на исправление ошибок на этапах проектирования, отработки, производства и эксплуатации примерно составляет 1:10:100:1000.

Принципиальные ошибки, как правило, вообще не могут быть исправлены на стадии эксплуатации.

Укрупненные этапы создания и эксплуатации ракетно-космической техники представлены ниже.

1. Этап научно - исследовательских работ (поисковые работы, разработка тактико-технических требований).

2. Опытно - конструкторские работы (ОКР).

2.1. Разработка технического предложения.

2.2. Разработка эскизного проекта.

2.3. Разработка технического проекта (рабочей документации).

2.4. Изготовление опытных образцов и их испытания (этап ОКР).

2.4.1. Наземные автономные испытания, включая конструкторско - доводочные испытания.

2.4.2. Наземные комплексные испытания.

2.4.3. Летные конструкторские испытания.

3. Серийное производство.

4. Эксплуатация.

Блок - схема алгоритма проектирования РН на начальных этапах разработки ракеты-носителя представлена на рисунке 1.1.

НИР - научно-исследовательские работы

ТЗ - техническое задание

ОКР - опытно- конструкторские работы



Рисунок 1.1 - Алгоритм проектирования

Результатом проектирования является сформированная объемная геометрическая модель машиностроительного изделия или, так называемая, мастер-модель, которая будет играть определяющую роль на многих последующих этапах. Для создания объемной модели изделия проектант может воспользоваться методами трехмерного твердотельного, поверхностного моделирования или сочетанием этих методов.

Рассмотрим основные виды проектирования

Рисунок 1.2 - Виды проектирования

1.1.1 Параллельное проектирование

Традиционное параллельное проектирование в разработке новых изделий обычно включает перечень работ по проектированию, сборке, испытанию, анализу, анализу с итеративным повторением цикла до получения нужного результата. В настоящее время параллельное проектирование с успехом развивается ведущими американскими и западноевропейскими фирмами. В частности в США исследовательские проекты в рамках этой технологии разрабатываются по заказу перспективных военных проектов Пентагона.

В основе технологии лежит совмещение проектирования изделия, а также планирования его изготовления и сопровождения, координируемые специально предназначенной для этого распределённой информационной средой. Подобная технология позволяет использовать проектные данные с ранней стадии одновременно различными группами специалистов. Например, в трёх главных конструкторских бюро компании BOING 220 групп «проектирование - изготовление», которые координируют параллельные разработки и состоят из специалистов таких разнообразных областей, как проектирование, разработка материалов и прочее. Фактически, при использовании описанной технологии удаётся достичь перекрытия практически всех стадий жизненного цикла изделий.

Жизненный цикл изделия - это период времени, в течение которого формируются:

ѕ потребность в некоторой продукции, удовлетворяющей те или иные пожелания людей (покупателей, пользователей, потребителей) в конкретных условиях потребления;

ѕ требования к свойствам продукции с их качественными и количественными параметрами;

ѕ облик будущей продукции, соответствующий этим требованиям;

ѕ технология производства с приемлемыми затратами в конкретных производственных условиях.

Осуществляются:

ѕ оснащение средствами производства и обеспечение материалами и комплектующими изделиями;

ѕ производство продукции;

ѕ маркетинг, продажа и обслуживание у покупателя произведенной продукции;

ѕ собственно использование продукции в соответствии со служебным назначением.

Завершается жизненный цикл утилизацией использованной и невостребованной продукции.

Развитие технологии параллельного проектирования связано, прежде всего, с повышением для потребителя таких неценовых факторов конкурентоспособности, как качество, способность быстрого выполнения индивидуального заказа.[6]

1.1.2 Последовательное проектирование (нисходящее и восходящее)

Процесс проектирования изделий с использованием САПР, как правило, может быть реализован в виде двух возможных вариантов:

ѕ нисходящего (сверху вниз);

ѕ восходящего (снизу вверх) проектирования.

При нисходящем проектировании задачи высоких иерархических уровней решаются прежде, чем задачи более низких иерархических уровней. При восходящем проектировании последовательность противоположная. Функциональное проектирование сложных систем чаще всего является нисходящим, конструкторское проектирование - восходящим.[8] Принципиальное отличие этих вариантов показано на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Принципиальное отличие восходящего и нисходящего вариантов проектирования изделия

Методология нисходящего проектирования предусматривает создание многоуровневой управляющей структуры, содержащей всю основную геометрию и базовые параметры проектируемого изделия. В основе управляющей структуры (древовидная структура отдельных блоков, содержащая перечень участников проекта, в виде отделов, состав каждой управляющей сборки (совокупность МГП и модели распределения пространства (МРП)), обозначение, наименование и название файла модели для каждого элемента, фиксацию, на каком уровне, в каком виде и каким отделом формируются расчетные модели) лежат модели мастер - геометрии (компоненты сборки, в которых определяются габариты узлов и деталей изделия, характерные геометрические размеры компонентов, места расположения и форма сопряжений между элементами, внешние интерфейсы будущего изделия, подвижные соединения и механизмы, анализ движения кинематических схем изделия, учитываются расчётные или внешние данные, характерные для будущего изделия, проводятся работы по оптимизации конструкции изделия). В свою очередь МРП - это виртуальный макет проектируемого изделия. Итак, данные из мастер - геометрии верхнего уровня передаются на нижестоящий уровень и дополняются уточняющей геометрией, позволяя, таким образом, сформировать концептуальную схему проектируемого изделия.

Разветвленная схема управляющей структуры дает возможность организовать параллельную работу разных подразделений проектантов и конструкторов. Заключительным этапом является создание реальных конструкторских моделей деталей и узлов со ссылками на МГП и выпуск конструкторской документации.

При восходящем проектировании разработка идёт снизу вверх. На первом этапе разрабатываются изделия самого низкого уровня (геометрия конкретных деталей и агрегатов). На следующем к ним подключаются изделия более высокого уровня (создание комплексов деталей - узлов) и проверяется их работоспособность. На завершающем этапе проектирования разрабатывается управляющая сборка, отвечающая за логику работы всего изделия.

Методология нисходящего проектирования используется для вновь создаваемых изделий при проведении проектно - конструкторских работ, с целью эффективной организации управления данными и конструкторскими изменениями.

Методология восходящего проектирования используется для модификации уже разработанных изделий.[9]

1.1.3 Спиральная модель

Применение процесса последовательного проектирования эффективно для систем, для которых в самом начале разработки можно достаточно точно и полно сформулировать все требования, с тем, чтобы предоставить разработчикам свободу реализовать их как можно лучше с технической точки зрения. Данный процесс обладает рядом существенных недостатков, основным из которых является, пожалуй, то, что требования к создаваемой системе "заморожены" в виде технического задания на все время ее создания. Таким образом, заказчики могут внести свои замечания только после того, как работа над изделием будет полностью завершена. В случае неточного изложения требований или их изменения в течение длительного периода создания, пользователи получают изделие, не удовлетворяющее их потребностям.

В реальной жизни оказывается, что на стадии формулировки требований заказчик не может точно определить все требования к продукту. Для преодоления данной проблемы во второй половине 80 - х годов был предложен "спиральный" процесс создания изделия, делающий упор на этапы анализа и проектирования. Разработка системы по данной методологии происходит итерациями, и после прохождения каждого витка спирали заказчик получает очередную версию проекта. После получения заказчиком каждой версии уточняются цели и характеристики проекта, определяется его качество, и планируются работы следующего витка спирали.

Рисунок 1.4 - Спиральная модель

Спиральная модель разработки изделия, в тех или иных версиях используемая во множестве конкретных прикладных методик, построена на следующем шаблоне. Прежде всего, в ходе общения с заказчиком определяется набор наиболее важных возможностей будущего изделия. Далее совместными усилиями определяются желаемые сроки для реализации этой базовой функциональности. Формируется план, начинаются работы, и отслеживается их выполнение.

В основу спиральной модели заложены две посылки. Многочисленными исследованиями подтверждено, что и заказчик и исполнитель обычно слишком оптимистично относятся к срокам и бюджету, даже при использовании хороших методик оценки объема работ (по функциональным точкам и т. п.). Поэтому результаты таких оценок предлагается увеличивать (ухудшать) достаточно серьезно - примерно на 50%. Уточнение конкретных требований выполняется итерационно, при этом на каждом витке проектной спирали создается все более точная версия, соответствующая пожеланиям заказчика.

Данный подход, конечно, не гарантирует соблюдения сроков - они могут быть сорваны, например, в случае резкого сокращения бюджета или серьезного изменения требований.

1.1.4 Сравнительный анализ методов проектирования

Сравнивая последовательную и спиральную модели, можно сказать о том, что первая более универсальна, т. е. она применима к производству разных изделий, будь то отбойный молоток или графический редактор. Для разных изделий просто будут изменяться количество и название этапов модели. Спиральная же модель более ориентирована именно на информационные системы, особенно на программные продукты, поэтому при разработке информационных систем и их программного обеспечения она предпочтительнее последовательной.

Нисходящие проектирования работает хорошо, потому что оно позволяет нам одновременно сосредотачиваться на меньшем количестве деталей. Это логичная методика, которая поощряет организованную доводку системы и уменьшает уровень сложности (степени интеграции) на каждой из последующих стадий проекта. По очевидным причинам, нисходящие проектирования подходит лучше всего тогда, когда применяется к проблемам, которые имеют ясно выраженный иерархический характер. К сожалению, многие из реальных проблем не иерархические.[8]

Но с другой стороны у последовательного проектирования есть ряд существенных недостатков в сравнении с параллельным проектированием. Существенным преимуществом параллельного проектирования является то, что эта технология обеспечивает устранение известных недостатков последовательного проектирования, в частности, когда ошибки проектирования неожиданно обнаруживаются на последних его стадиях. Как показывает отечественный опыт, 50 - 70% имеющихся дефектов готовой продукции машиностроения возникают из-за ошибок в конструкционной работе, 20-30% из-за недостаточной технологичности изделия, 5 - 15% - по вине рабочих.

Устранение первой группы дефектов осуществляется в основном за счёт совмещения проектирования составляющих технологической системы «изделие - технология - оборудование» и раннего учёта возможных при этом ограничений.

1.2 Методологии моделирования БП

Бизнес - процесс - это логичный, последовательный, взаимосвязанный набор мероприятий, который потребляет ресурсы производителя, создает ценность и выдает результат потребителю. Среди основных причин, побуждающих организацию оптимизировать бизнес-процессы, можно выделить необходимость снижения затрат или длительности производственного цикла, требования, предъявляемые потребителями и государством, внедрение программ управления качеством, слияние компаний, внутриорганизационные противоречия.

Моделирование бизнес-процессов позволяет не только определить, как компания работает в целом, как взаимодействует с внешними организациями, заказчиками и поставщиками, но и как организована деятельность на каждом рабочем месте. Моделирование бизнес-процессов - это эффективное средство поиска путей оптимизации деятельности компании, средство прогнозирования и минимизации рисков, возникающих на различных этапах реорганизации предприятия. Этот метод позволяет дать стоимостную оценку каждому отдельному процессу и всем бизнес-процессам организации в совокупности.[11]

В настоящее время в мире разработано и успешно применяется для бизнес-моделирования достаточно большое количество различных методологий или, другими словами, языков описания бизнес - деятельности организации.

Рассмотрим некоторые основные методологии.

SADT -методология структурного анализа и проектирования (Structured Analysis and Design Technique), основанная на понятиях функционального моделирования. Является методологией, отражающей такие системные характеристики, как управление, обратная связь и исполнители. Возникла в конце 60 - х годов. Базовой книгой по этому вопросу является: Дэвид А. Марка, Клемент МакГоуэн "Методология структурного анализа и проектирования"

IDEF0 - методология функционального моделирования. Применяется для описания рабочих процессов (Work Flow). Методология разработана на основе SADT. Для изучения рекомендована книга: "Методология функционального моделирования IDEF0. Руководящий документ. РД IDEF0 - 2000".

DFD - методология моделирования потоков данных. Применяется для описания обмена данными между рабочими процессами.

IDEF3 - методология моделирования потоков работ. Является более детальной по отношению к IDEF0 и DFD. Позволяет рассмотреть конкретный процесс с учетом последовательности выполняемых операций.

IDEF1X - методология описания данных. Применяется для построения баз данных.

IDEF4 - объектно - ориентированная методология. Отражает взаимодействие объектов. Удобна для создания программных продуктов на объектно-ориентированных языках (например С ++).

UML - (Unified Modeling Language) - язык визуального моделирования, основанный на объектно-ориентированном подходе. UML включает в себя диаграммы, которые позволяют описать статическую структуру системы и ее динамическое поведение.

ARIS - описывает бизнес-процесс в виде потока последовательно выполняемых работ. Ее использует программное средство ARIS Toolset.[12]

Более широко сейчас используется UML и ARIS. Остановимся на этих методологиях более подробно.

1.2.1 Методология UML

Данный подход предполагает вначале выделение классов объектов, а далее определение тех действий, в которых участвуют объекты. При этом различают пассивные объекты (материалы, документы, оборудование), над которыми выполняются действия, и активные объекты (организационные единицы, конкретные исполнители, информационные подсистемы), которые осуществляют действия. Такой подход более объективно позволяет выделять операции над объектами, а заодно и решать задачи целесообразности существования самих объектов. Недостаток объектно-ориентированного подхода заключается в меньшей наглядности конкретных процессов для лиц, принимающих решения. Вместе с тем, выявленные операции для наглядности, в дальнейшем могут быть представлены в виде функциональных диаграмм.[13]

1.2.2 Методология ARIS

Методология ARIS (Architecture of Integrated Information Systems -- архитектуры интегрированных информационных систем) сводится к построению схемы технологического процесса в виде последовательности операций, на входе и выходе которых отражаются объекты различной природы: материальные и информационные объекты, используемые ресурсы, организационные единицы.

Методология ARIS состоит в описании модели процессов в виде четырех интегрированных между собой представлений:

ѕ функциональное представление содержит описание функций бизнес - процесса или системы, отдельных подфункций (операций) и их взаимосвязи между собой;

ѕ информационное представление описывает состояния информационных объектов (данных), и события, приводящие к их изменению;

ѕ организационное представление определяет совокупность организационных единиц и их взаимосвязей;

ѕ управляющее представление описывает взаимосвязи между указанными представлениями.

Каждое представление содержит разные диаграммы (ARIS поддерживает разнообразные графические нотации), которые по времени их возникновения относят к трем последовательным уровням или этапам проработки представления:

ѕ на уровне описания требований происходит определение целей моделирования, языка предметной области и программного решения рассматриваемой задачи, которое базируется на результатах анализа проблем бизнеса и позволяет описать формализованные требования к системе;

ѕ на уровне спецификации проекта концептуальные понятия, сформулированные на предыдущем уровне формулировки требований, трансформируются в категории, методы и алгоритмы в терминах информационных технологий;

ѕ на уровне описания реализации спецификация проекта трансформируется в конкретные аппаратные и программные компоненты.

Достоинство функционального подхода заключается в наглядности и понятности представления бизнес - процессов на различных уровнях абстракции, что особенно важно на стадии внедрения разработанных бизнес-процессов в подразделениях предприятия. Существенным недостатком функционального подхода является некоторая субъективность детализации операций и как следствие большая трудоемкость в адекватном построении бизнес - процессов.[14]

1.3 Моделирование процесса нисходящего проектирования изделия (диаграммы ARIS и UML)

Попробуем представить процесс нисходящего проектирования с помощью вышеописанных методологий моделирования бизнес - процессов.

1.3.1 Моделирование процесса нисходящего проектирования изделия; диаграммы ARIS

Диаграмма aVAD (adaptive Value Added Chain Diagrams) описывает цепочку процессов добавляющих стоимость. Нотация aVAD позволяет отобразить логическую связь между приоритетными процессами нисходящего проектирования в виде отношения «предыдущий - следующий». [14]



Рисунок1.5 - Нотация aVAD процесса нисходящего проектирования изделия

В данной диаграмме рассмотрены 7 основных процессов (утверждение правил, разработка блок-схем, подготовка библиотек 3D - моделей, создание управляющей структуры из пустых объектов, создание компонентов блок -схемы, создание файлов МГП, создание модели распределения пространств ).

Процесс проектирования начинается с утверждение правил именования файлов и модификации узлов. Важно утвердить регламент именования файлов до начала работ по проекту. Утверждение регламента именования должно быть первым этапом в работах. Это не только обеспечит основу для точного определения и управления файлами в проекте, но и позволит давать правильные названия файлам реальных деталей и узлов до того, как проектная структура изделия полностью сформируется. Регламент именования файлов должен обеспечивать предсказуемость понимания местоположения данной модели в рамках не только текущего узла, но и всего изделия в целом. В названии файла должна быть предусмотрена возможность легкого создания дополнительных модификаций конструкций, путем изменения индекса номера версии.

Далее разрабатывается блок - схема изделия. Блок - схема управляющей структуры необходима для четкого планирования работ по её последующему созданию. При создании блок - схемы руководители проекта должны помнить, что управляющая структура должна повторять схему разделение проекта на отдельные управляющие сборки так же зависит и от подразделений, участвующих в проекте. Проектанты разрабатывают основную блок - схему (древовидную структуру) проекта. В ней они останавливаются на уровне перехода разработки к конструкторам, в конкретные отделы. Блок - схема должна содержать: названия файлов, обозначения, коды и наименования объектов, подразделения разработчиков, ФИО специалистов.

За тем следует процесс подготовки библиотек 3D - моделей. Перед началом работ необходимо подготовить:

ѕ Перечень используемых стандартных и покупных компонентов;

ѕ Библиотеку 3D - моделей используемых стандартных и покупных компонентов.

Все модели должны отвечать требованиям к стандартным деталям, сложные приборы и агрегаты должны быть представлены габаритными моделями. В PDM - системе необходимо создать библиотеки стандартных и покупных компонентов и обеспечить доступ к ним всем участникам проекта. После чего следует процесс создания управляющей структуры из пустых объектов.

Сборки и компоненты создаются на основании разработанной и утвержденной блок-схемы, в которой уже должны быть указаны все атрибуты объектов - "ОБОЗНАЧЕНИЕ", "ПОСТФИКС МОДЕЛИ" (код модели), "НАИМЕНОВАНИЕ". Допустимые типы моделей в управляющей структуре и их сокращения:

Таблица 1.1 - Допустимые типы моделей в управляющей структуре и их сокращения

Тип модели	Постфикс "Обозначение"	Английское сокращение для названия файла
Управляющая сборка	УС	US
Мастер геометрия	МГ	MG
Внешняя геометрия	ВГ	WG
Модель границ	ГР	GR
Модель распределения пространства	РП	RP
Эскизная модель	ЭМ	EM
Упрощенная модель	УМ	UM

Для управляющих сборок проектантов и конструкторов вводятся третьи буквы в постфиксы - для проектантов «П» (УСП, МГП и т.п.), для конструкторов «К» (УСК, МГК и т.п.)

Правильная структура и наличие всех атрибутов у моделей и сборок на начальной стадии, когда еще нет никаких геометрических построений, гарантирует целостность проекта и корректность размещения объектов в PDM - системе.

Следующий процесс - создание компонентов блок - схемы.

Затем проектанты приступают к созданию файлов МГП. В данных файлах необходимо создать основные базы будущего изделия: основные плоскости, оси, точки. Дать всем объектам однозначно названия. Данными базовыми элементами геометрии будут часто пользоваться последующие разработчики, поэтому данная мастер - геометрия - это единственное место, в котором проектанты могут создать публикуемый набор для нижестоящих сборок и собрать в него все базы изделия. При переходе к созданию мастер - геометрии нижестоящей сборки, в неё, в первую очередь, копируется публикуемый набор базы изделия. Все остальные базовые плоскости удаляются и для построений используются только базы изделия.

Завершающим процессом создание модели распределения пространств, по окончании которого достигается главная цель - готовая УСП. В управляющей сборке проектантов в модель распределения пространства необходимо скопировать только системы координат из всех агрегатов. Интерфейсная геометрия из моделей агрегатов не копируется, это будет на этапе работы конструкторов. Скопированная система координат переименовывается в соответствии с названием файла модели или обозначением агрегата. Все последующие размещения данного агрегата в Управляющей структуре проектантов и конструкторов выполняются путем размещения по системе координат.

Между основными процессами отображены потоки материальных ресурсов и информации.

Так для процесса «утверждение правил именования файлов и модификации узлов» входными «данными», отображающими потоки информации необходимой для выполнения процесса, являются рекомендации, выходными «данными» - утверждённые правила. Подразделением выполняющий процесс является головной проектный отдел.

Для процесса «разработка блок - схемы изделия» входными «данными» являются утверждённые правила и требования заказчика, выходными «данными» - блок-схема; необходимой инфраструктурой для выполнения процесса - CAD - системы. Подразделением выполняющий процесс является проектный отдел.

Для процесса «подготовка библиотек 3D - моделей» входными «данными» являются списки недостающих объектов; выходными «данными» являются контексты. Контекст предоставляет собой инфраструктуру, из которой выполняются действия пользователя. Подразделениями выполняющими процесс являются проектный отдел и подразделение системных администраторов. Необходимой инфраструктурой для выполнения процесса - PDM - система.

Для процесса «создание управляющей структуры из пустых объектов» входными «данными» являются блок - схема и утверждённые правила; выходными «данными» является управляющая структура из пустых объектов; необходимой инфраструктурой для выполнения процесса - CAD и PDM - системы. Подразделением выполняющими процесс является проектный отдел.

Для процесса «создание компонентов блок-схемы» входными «данными» являются требования заказчика; выходными «данными» являются компоненты блок - схемы; необходимой инфраструктурой для выполнения процесса - CAD и PDM - системы. Подразделением выполняющими процесс является проектный отдел.

Для процесса «создание файлов МГП» входными «данными» являются управляющая структура проектанта, компоненты блок-схемы; выходными «данными» являются созданные файлы МГП; необходимой инфраструктурой для выполнения процесса - CAD и PDM - системы. Подразделением выполняющими процесс является проектный отдел.

Для процесса «создание модели распределения пространства» входными «данными» являются МГП; выходными «данными» является МГП; необходимой инфраструктурой для выполнения процесса - CAD и PDM -системы. Подразделением выполняющими процесс является проектный отдел.

Существующая обратная связь, объединяющая процессы обозначает информационное взаимодействие этих процессов в рамках ЕИП, то есть существует возможность внесения изменений в ход процессов на любом этапе процесса проектирования. По этой связи осуществляется обмен информирующими и управляющими сообщениями между участниками процессов.

1.3.2 Моделирование процесса нисходящего проектирования изделия; диаграмма UML(диаграмма состояний)

Диаграмма состояний описывает процесс изменения состояний одного или нескольких экземпляров классов, т. е. моделирует все возможные изменения в состоянии конкретного объекта, которые вызваны внешними воздействиями со стороны других объектов. Диаграмма состояний представляет динамическое поведение сущностей, на основе спецификации их реакции на восприятие некоторых конкретных событий. Главное назначение этой диаграммы - описать возможные последовательности состояний и переходов, которые в совокупности характеризуют поведение элемента модем в течение его жизненного цикла.

Под состоянием понимается абстрактный метакласс, используемый для моделирования отдельной ситуации. Состояние может быть задано в виде набора конкретных значений атрибутов класса или объекта, которые отражают динамический или функциональный аспект его поведения. При этом изменение их отдельных значений будет отражать изменение состояния. Состояние определяется именем и списком внутренних действий (деятельностей), которые выполняются в процессе нахождения моделируемого элемента в данном состоянии.

Диаграмма состояний по существу является графом специального вида, который представляет некоторый автомат. Вершины этого графа - состояния и некоторые другие типы элементов автомата (псевдосостояния), отображаемые соответствующими графическими символами.

Дуги графа служат для обозначения переходов из состояния в состояние. Срабатывание перехода зависит от наступления некоторого события и от выполнения определенного условия, называемого сторожевым. На более простых переходах возможна организация сложных соединений (две и более входящих дуг) и ветвление (две и более исходящих дуг). Диаграммы состояний могут быть вложены друг в друга, образуя составные состояния, которые могут быть последовательными, параллельными и исюрическими - запоминающими; синхронизирующими.

Существует два частных случая состояния. В начальном состоянии объект находится по умолчанию в начальный момент времени. В конечном состоянии объект находится после завершения работы автомата в конечный момент времени. Эти состояния не содержат никаких внутренних действий (псевдосостояний).[14]

Рисунок 1.7 - Обозначения принятые при построении диаграммы состояний



Рисунок 1.8 - Диаграмма состояний процесса нисходящего проектирования изделия

1.4 Ракета - носитель как объект проектирования (назначение, особенности проектирования, возникающие сложности)

Ракета - носитель (ракетно - космическая система) представляет собой сложную техническую систему, как по своему структурному составу, так и по функционированию. В свою очередь, ракета - носитель является частью более сложной системы - ракетно - космического комплекса.

Ракетно-космический комплекс - это совокупность ракеты-носителя (РН) или ракетно-космической системы и космодрома, обеспечивающего предстартовую подготовку и пуск ракеты-носителя (ракетно - космической системы), траекторные измерения, выдачу команд, прием и обработку телеметрической информации

Рассмотрим структуру РКК.

Рисунок 1.9 - Структура ракетно-космического комплекса

Как видно из схемы РКК состоит из технического комплекса, стартового комплекса и ракеты космического назначения. Первые два элемента структуры не являются объектами нашего изучения. Рассмотрим более подробно структуру ракеты космического назначения и кратко опишем функции каждого составного элемента. Данный агрегат состоит из ракеты - носителя (РН) и космической головной части(КГЧ). РН - это аппарат, действующий по принципу реактивного движения (ракета) и предназначенный для выведения полезной нагрузки в космическое пространство. КГЧ - это последняя ступень ракеты-носителя в составе:

ѕ полезная нагрузка (один или несколько космических аппаратов), переходной системы (адаптера разгонного блока),

ѕ разгонный блок и головной обтекатель.

РН состоит из ракетных блоков первой, второй и более ступеней, в которых размещается топливо и двигатели, необходимые для выведения космического аппарата на нужную высоту.[15]

Для лучшего понимания сложности проектирования РН рассмотрим классификацию рассматриваемого изделия.

1. Классификация по грузоподъемности (выведение на круговую орбиту высотой 200 км):

ѕ малые (до 5 т);

ѕ средние (5…10 т);

ѕ тяжелые (10…15 т);

ѕ сверхтяжелые (свыше 15 т).

2. Классификация по количеству ступеней:

ѕ двухступенчатые;

ѕ трехступенчатые;

ѕ двухступенчатые и трехступенчатые с разгонными блоками.

3. Классификация по схеме соединения ступеней:

ѕ с последовательным соединением ступеней (схема "тандем");

ѕ с параллельным соединением ступеней (при одновременном начале работы всех ступеней - схема «пакет»);

ѕ со смешанным соединением ступеней (ракетные блоки первой и второй ступени соединены параллельно, а ракетный блок третьей ступени соединен последовательно с ракетным блоком второй ступени - так называемый "трехступенчатый пакет";

ѕ схема с отделяемыми внешними (боковыми) двигателями.

4. Классификация по токсичности топлива:

ѕ токсичные (с длительным сроком хранения в заправленном состоянии, например, РН "Протон", конверсионная двухступенчатая баллистическая ракета "Днепр");

ѕ нетоксичные (с ограниченным сроком хранения в заправленном состоянии, например, РН "Союз", "Сатурн - V");

ѕ с нетоксичными компонентами топлива основных ступеней РН и наличием разгонного блока с токсичными компонентами топлива, например, РН "Союз" с разгонным блоком "Фрегат".

5.Классификация по фазовому составу топлива:

ѕ жидкие компоненты топлива (РН "Союз", "Сатурн - V" и др.);

ѕ твердые компоненты топлива (РН "Старт" на базе баллистических ракет "Пионер" и "Тополь").

ѕ ракеты-носители с наличием ракетных блоков и на жидком топливе, и на твердом топливе ("Space Shuttle");

ѕ ракеты-носители с наличием ракетных блоков на комбинированных компонентах топлива (твердое горючее и жидкий окислитель, например, проект РН на базе противоспутниковой трехступенчатой ракеты-перехватчика, стартующей с самолета МИГ - 31).

6.Классификация по наличию возвращаемых ракетных блоков:

ѕ ракетные блоки одноразового применения;

ѕ возвращаемые ракетные блоки (спуск на парашюте, на дельтаплане или самолетный спуск ракетных блоков первой ступени, например, ракетный блок «Байкал»).

7.Классификация по методу старта:

ѕ наземный неподвижный;

ѕ наземный подвижный (железнодорожные платформы или тягачи на колесном шасси);

ѕ морской старт (с плавучей специальной платформы, например, РН "Зенит");

ѕ воздушный старт (с самолетов - носителей, например, проекты "Молния", "Бурлак", проект филиала РКК «Энергия», и др.). [16]

Итак, мы выяснили, что у РН может быть несколько ступеней. Попытаемся понять, от чего зависит их количество. Количество ступеней определяется из соображения минимизации стартовой массы и из условий функционирования РН. Масса уменьшается за счёт используемого топлива. Касаемо функционирования, наличие керосина в ракетном блоке первой ступени и водорода в ракетном блоке второй ступени приводит к перераспределению массы по ступеням ракеты в пользу водородного ракетного блока второй ступени. Однако в этом случае, во - первых, масса ракетного блока второй ступени может оказаться большей, чем масса ракетного блока первой ступени, во-вторых, разделение ступеней будет происходить на относительно низких высотах с достаточно плотной атмосферой и надежность отделения будет снижена. Для того чтобы этого не происходило, первая ступень должна заканчивать работу на высоте не менее 50 км.

Первые две или три ступени осуществляют вывод полезной нагрузки с разгонной ступенью на опорную орбиту, а затем разгонная ступень осуществляет старт ракеты к Луне или планетам. Если ракета получается значительно тяжелой, то необходимо выставить требования по возможности повторного запуска двигателей отдельных ракетных блоков.

Важным вопросом при проектировании РН является выбор схемы соединения блоков. На оптимальное распределение массы ракеты по ступеням и на стартовую массу ракеты-носителя (кроме других факторов, которые рассматриваются позднее) влияние оказывает схема соединения ракетных блоков. Как правило, схема с последовательным соединением ракетных блоков более эффективна в весовом отношении. Однако стоимость помещений монтажно-испытательного корпуса, транспортного и стартового оборудования с большими габаритными размерами существенно выше характеристик помещений и оборудования, необходимых для эксплуатации ракет с параллельным соединением ракетных блоков. В этой связи для РН с грузоподъемностью до 10 т применяется, как правило, последовательное соединение, с грузоподъемностью свыше 15 т - параллельное соединение ракетных блоков. Для ракет-носителей с грузоподъемностью от 10 до 15 т используются схемы с последовательным, параллельным и смешанным соединением ракетных блоков (параллельное - на нижних ступенях и последовательное - на верхних).