Моделирование технологических процессов производства электронной аппаратуры инструментами когнитивной графики



Моделирование технологических процессов производства электронной аппаратуры инструментами когнитивной графики

Гоношилов Дмитрий Сергеевич, магистрант;

Маркос Лорето Ордас, магистрант

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана

В статье рассмотрены особенности моделирования технологических процессов производства электронной аппаратуры инструментами когнитивной графики. Проанализированы этапы концептуально-абстрактного и структурно-функционального моделирования. В качестве примера рассмотрены особенности разработки моделей технологического процесса производства типового усилителя TDA2030. Даны рекомендации по разработке декомпозиционных (IDEF0) и операционных (IDEF3) диаграмм технологического процесса.

Ключевые слова: визуальное моделирование, когнитивная графика, технологические процессы, оптимизация, производственные системы

Modelling of engineering procedures of production of the electronic equipment instruments of the cognitive graphics

Gonoshilov D. S.,

Marcos L. O.

In article features of modeling of engineering procedures of production of the electronic equipment are considered by instruments of a cognitive graphics. Stages of conceptual and abstract and structurally functional modeling are analysed. As an example features of development of models of engineering procedure of production of the standard TDA2030 amplifier are considered. Recommendations about development the automatic partitioning (IDEF0) and operating rooms (IDEF3) of charts of engineering procedure are made.

Keywords: visual modeling, cognitive graphics, engineering procedures, optimization, production systems.

Современные производственные системы характеризуются сокращением сроков технологической подготовки производства при выпуске новой продукции. При этом во главу угла становятся задачи формализации, хранения и эффективной обработки знаний по реализуемым на производстве технологическим процессам. Имея базу знаний по типовым технологическим процессам необходимо иметь возможность оперативно синтезировать новые технологические процессы исходя из имеющихся возможностей и ограничений, проводя адаптацию производственной системы [1]. В последнее время для генерации новых технических решений все большее применение находит визуальное моделирование [2, 3].

Визуальное моделирование — один из компонентов конструкторско-технологической информатики, исследующий процессы и средства информационного взаимодействия между человеком и машиной посредством визуальных моделей различного уровня детализации [3–12].

Примеры применения визуальной каллиграфии для передачи знаний известно уже не одно тысячелетие. Однако, инструменты «визуального моделирования» в современной их трактовке стали активно развиваться начиная с 30-х гг. XX в. Как и их исторические предшественники на первых порах визуальные модели используясь для отражения непосредственного взаимодействия человека с предметами и орудиями труда (инструменты, станок, конвейер, средства транспорта и т. п.). Задачи моделирования сводились в основном к критическому анализу ошибок проектирования или подготовки операторов и выявлению факторов, влияющих на эффективность систем «человек и машина».

Весь комплекс моделей рассматривался в виде решений конструкционных и процессных задач [10–12]. Конструкционные задачи охватывали вопросы анализа структуры объектов и взаимосвязи их отдельных частей. Процессные — анализируют протекание процессов и их составных частей во времени. Решение таких задач способствовало формированию эффективных инженерных методик по рациональной разработке элементов управления и индикации, созданию новых методик передачи знаний и т. п. [13, 14].

Развитие методов визуального моделирования было обусловлено внедрением автоматизации производства и развитием информационных контрольно-управляющих систем [15–17]. В 50-х гг. были определены в общих чертах закономерности приёма и переработки информации человеком, а в 60-х гг. — общие принципы организации взаимодействия человека и ЭВМ [14]. В конце 60-х гг. визуальные методы стали широко использоваться не только для представления объектов и процессов предметной области, но и для поддержки процедур синтеза решений. Комплекс известных на сегодня визуальных методик (нотаций) активно влияет на развитие методов обработки знаний [13, 18].

Тематика исследований визуальных методов обширна и постоянно расширяется, это требует применение современных инструментов обработки информации. Реализация тезиса «один рисунок заменяет тысячу слов, аодна схема тысячу рисунков» становится крайне актуальным [1], что обуславливает широкое применение визуальных инструментов.

Визуальное представление предметной области, в том числе и описания сложных систем в частности, строится на принципах когнитивности, конвергенции (от английского convergence — схождение в одной точке) и инкапсуляции [9].

Методики визуального моделирования сложных систем подробно рассмотрены в [1–10]. Под визуальным моделированием будем понимать совокупность методов, которые используют метафоры визуализации, которые представляют объект с разных точек зрения и могут применяться для отражения эволюции объекта моделирования.

Метафоры визуализации — это сопоставление абстрактных или реальных объектов зрительно воспринимаемым образам, при этом языки визуального моделирования представляют фиксированный набор метафор и правил создания визуальных моделей.

Следуя классическому унифицированному процессу проектирования на каждом из этапов проектирования применяются визуальные модели с соответствующим уровнем абстракции и детализации. Так, на начальных стадиях проектирования используется абстрактное визуальное моделирование, представляющие рассматриваемые системы в обобщенном виде (концептуальное моделирование) [19, 20].

Следующий этап включает в себя разработку моделей с точки зрения структурно-функционального и операционного подходов. На этом этапе чаще всего используются IDEF модели [1, 4, 5, 21].

Моделирование информационных потоков сводится к построению моделей объектов и потоков данных, а также структуры информационной модели и структуры базы данных и, если необходимо, базы знаний [6].

На заключительном этапе, как правило, разрабатывают объектно-ориентированные модели системы с помощью процедур RUP, которая описывает реализацию информационной системы сопровождения рассматриваемых процессов предметной области [7].

Среди популярных методов визуального моделирования в первую очередь следует выделить: абстрактно-концептуальные, структурные — IDEF (Integrated DEFinition) [1], ECLIPS модели [22], объектно-ориентированный анализ и проектирование (ООАП) (RUP — Rational Unified Process) [6], DSM-подход (Domain-Specific Modeling — предметно-ориентированного моделирования) и MSF-подход (Microsoft Solutions Framework) [23, 24]. На данный момент создано множество качественных и удобных визуальных методов. Основной проблемой применения визуальных инструментов является слабая связь методов между собой и проблемы с экспортом/импортом данных между CASE средствами различного уровня проектирования.

Наиболее эффективным оказывается применение визуальных инструментов на начальных (тематических) этапах проектной деятельности, характеризующихся высокой степенью креативности. Часто визуальные инструменты называют еще инструментами когнитивной (креативной) графики. Их основная задача сделать максимально простым представление особенностей предметной области, максимально раскрывая креативные возможности разработчиков и сокращая общее время «тематического» проектирования, давая возможность начальной формализации синтезированных решений.

1. Разработка концептуально-абстрактной модели

Концептуально-абстрактные методы — это методы, в которых правила ведения разработки максимально упрощены, что определяет крайне низкий уровень формализма и регламента разработки. Часто такие методы называют экранными — результат должен умещаться на одном «экране» (хотя известны и полиэкранные методы) [13, 19, 20, 24].

Что касается использования итеративного подхода то, как правило, он в концептуально-абстрактных методах не используется, так как сужает поле возможных вариантов решений. Регламент выполнения проекта тоже практически отсутствует.

В настоящее время известно более сотни методов концептуально-абстрактного анализа. Каждый из них имеет свою область применения, уровень сложности и особенности. Применение в начале концептуально-абстрактного моделирования позволяет более четко поставить проблему (задачи) разработки и с наименьшими затратами перейти к более глубокому анализу.

На визуальные инструменты концептуально-абстрактных методов не налагается жестких ограничений по формализации, регламенту, итерационности процесса, основная их задача предоставить инструмент для обобщенного описания генерируемого решения на ранних стадиях проектирования («тематический» уровень).

Прежде чем приступить к проектированию ПП, необходимо проанализировать техническое задание и требования, накладываемые на ПП. Этот этап является наиболее важным и ответственным с точки зрения проектирования и оптимизации печатной платы. Если готовая плата не будет соответствовать хотя бы одной норме проектирования, то она отправляется в отдел брака из-за несоответствия требованиям ТЗ (техническое задание). Чтобы избежать лишней работы и брака, для начала надо ознакомиться с основными нормами проектирования и изучить техническое задание [10, 11].

В качестве примера рассмотрим особенности разработки концептуально-абстрактной модели для описания технологического процесса изготовления усилителя на основе ИМС TDA2030. Концептуально-абстрактную модель представим в виде ментальной карты, включающей перечень основных операций производства усилителя.

Начальным этапом разработки такой карты является анализ исходных данных, к которым относится конструкторско-технологическая документа по изделиям-прототипам, аналогам, технической документации на элементную базу [25]. Краткий конструкторско-технологический анализ компонента показывает, что рассматриваемое изделие электронной техники (ИЭТ) реализовано на базе ИМС TDA2030 и представляет собой усилитель мощности низких частот. Используется в аппаратуре среднего класса с двухполярным источником питания (см. рис.1). Подробно особенности схемотехнического проектирования рассматриваемого ИЭТ представлено в [26]. Микросхема работает в широком диапазоне питающих напряжений от ±4.5В до ±22В. Возможно, так же, подключение микросхемы в схему с однополярным источником питания. Максимальная мощность, которую способна развить микросхема, составляет 18Вт, соответственно, при максимальном напряжении питания. Внутренняя структура ИС содержит схему защиты выхода от короткого замыкания в нагрузке и термозащиту. Внешние диоды защищают выходные транзисторы микросхемы от бросков обратного напряжения. Сборка усилителя по типовой схеме не требует больших затрат, учитывая их не высокую стоимость. Все компоненты компактно располагаются на небольшом отрезке печатной платы, микросхема обязательно устанавливается на соответствующий теплоотвод. Для работы усилителя необходим стабилизированный двухполярный источник питания ±15В…±22В. На рисунке 1 представлен изометрический вид усилителя TDA2030, реализованного в виде Step модели, созданной при помощи CAD 3D моделирования (к примеру SolidWorks) и интегрированной в AltiumDesigner с помощью средств импорта 3DStep моделей [26].

Рис. 1. 3D вид step-модели усилителя TDA 2030 в среде AltiumDesigner

Базируясь на исходной информации разрабатывается концептуально-абстрактная модель процесса изготовления ИЭТ на базе TDA2030 в виде ментальной карты (рисунок 2). Она определяет структуру технологического процесса изготовления ИЭТ, ее свойства и причинно-следственные связи. Обычно концептуально-абстрактная модель строится на основе схемы сборки изделий, типовых маршрутных карт или других документированных инструкций [10, 14, 17].

Рис. 2. Концептуально-абстрактная модель усилителя на TDA2030

На концептуально-абстрактном этапе согласуются основные группы операций технологического процесса изготовления устройства «Усилитель на TDA2030», уточняется их операционный состав исходя из анализа базовых технологических процессов производства.

2. Разработка структурно-функциональной модели
   1. Особенности разработки контекстной диаграммы структурно-функциональной модели

При необходимости более глубокой детализации разрабатываемого технологического процесса можно перейти к проектированию структурно-функциональной модели. Методика структурно-функционального моделирования является эффективным и достаточно распространенным методом формализованного описания сложных систем. Она предполагает моделирование функций объекта путем создания описательной графической модели, представляющей собой структурированное изображение функций производственной системы с последующей иерархической декомпозицией до атомарного уровня (уровня перехода). Диаграммы, выполненные в нотации IDEF0, являются ICOM диаграммами, что предполагает использование четырех видов воздействий — входных (Input), контрольных (Control), механизмов (Mechanism) и выходных(Output). Соответственно входные воздействия отображены слева, контролирующие сверху, механизмы снизу, а выходные справа. Этот подход является первым этапом при описании и формализации техпроцесса, представляя так называемый уровень «черного ящика», иллюстрирующего как анализируемый процесс взаимодействует с внешней средой [1, 4, 18, 21]. На рисунке 3 представлена контекстная диаграмма ТП усилителя на основе TDA2030, разработанная на основе концептуально-абстрактной модели.

Рис. 3. Контекстная диаграмма ТП изготовления усилителя на TDA2030

Описание контекстной диаграммы выглядят как “черный ящик”, она наглядно, в общем плане, показывает, какие ресурсы надо вложить (Input, Mechanism), какое управление обеспечивает выполнение заданной функции (Control), чтобы получить желаемое на выходе (Output).

2.2 Построение иерархической диаграммы структурно-функциональной модели

После построения контекстной диаграммы переходят к проведению ее иерархической декомпозиции на составные части, которые отражаются в виде иерархической диаграммы. Далее разработанная ранее контекстная диаграмма декомпозируется в нотации IDEF0 для отражения основных этапов изготовления усилителя на основе ИМС TDA2030.

Рис. 4. Первый уровень декомпозиции ТП усилителя на TDA2030

Выходные данные каждой работы поступают на вход следующей, входные данные первой работы (предварительные операции) совпадают со входными данными контекстной диаграммы, а выходные последней (рабочее или бракованное устройство) — с выходными данными контекстной диаграммы. Такой подход позволяет формировать логическую цепочку производственного цикла посредством простых визуальных графических элементов. Подробно метода построения моделей в нотации IDEF представлена в [1].

2.3 Разработка моделей операционного анализа

При проведении иерархической декомпозиции технологического процесса встает вопрос, а до какого уровня необходимо выполнять данную декомпозиции. В принципе теоретически можно остановиться на любом уровне обобщения. однако для построения полной модели необходимо представить исследуемый техпроцесс до уровня перехода. При моделировании техпроцессов уровень перехода и принято считать атомарным. Т. е. дойдя до описания техпроцесса в виде совокупности операций — действий, выполняемых одним работником на одном рабочем месте, при дальнейшей детализации мы переходим на уровень переходов. Они выполняются на одном рабочем месте, одним работником и, следовательно, уже нет необходимости в применении ICOM блоков для описания работ, тут на первое место выходит логическая последовательность действий. Такую, атомарную декомпозицию операции на переходы позволяет выполнять диаграммы в нотации IDEF3. Можно проводить и более глубокую декомпозицию переходов, на установку ИЭТ и т. п., если это потребуется. На рисунке 5, в качестве примера, изображена IDEF3-диаграмма, декомпозиция одной из работ второго уровня декомпозиции производства усилителя на основе TDA2030.

Рис. 5. Третий уровень декомпозиции работы «Комплектация ИЭТ»

Данный уровень декомпозиции, как правило, является атомарным. Все компоненты анализируемого технологического процесса определены, его структура сформирована. После этого осуществляется уточнение параметров работ рассматриваемого процесса, разрабатывается адаптированный технологический процесс (единичный, типовой или групповой), который учитывает конкретные производственные условия и технические требования на изделия.

Завершающим шагом моделирования является построение диаграммы дерева узлов, которая показывает сформированную декомпозицию технологического процесса в целом и может служить основой для разработки схемы сборки ИЭТ.

2.4 Оптимизация технологических процессов по интегральным идифференциальным критериям

Полученная иерархическая диаграмма дерева узлов представляет полную декомпозицию технологического процесса и дает возможность детально проследить все операции и переходы (установку ИЭТ) технологического цикла сборки, отследить все затраты и время на сборку (интегральные критерии), оценить качественные характеристики составляющих технологического процесса (дифференциальные критерии) [29–32].

Интегральные критерии позволяют получить обобщенную комплексную оценку модели. Дифференциальные (UDP) критерии описывают непосредственно каждую из «работ» модели. Обычно в качестве дифференциальных критериев применяются коэффициенты технологичности изготовления устройства. Полученный коэффициент определяет тип производства, при необходимости определенного объема выпуска его следует корректировать либо улучшением конструкции, либо совершенствованием технологии изготовления. По результатам оптимизации даются рекомендации по обеспечению заданных показателей качества, которые могут быть отражены с помощью диаграммы альтернативных точек зрения (FEO) [33].

3. Разработка знаниевой модели технологического процесса ввиде фреймовой семантической сети

В общем случае, знания о технологических процессах относятся к знаниям описательного характера (декларативным). Для формализованного представления декларативных знаний чаще всего используются фреймовые конструкции или фреймовые семантические сети [5]. Для рассматриваемого в работе [34] примера фреймовая семантическая сеть ТП может быть представлена в виде семантического дерева, как показано на рисунке 6.

Рис. 6. Обобщенное представление фреймовой семантической сети, ТП усилителя на TDA2030

Данная фреймовая сеть позволяет сгенерировать способ монтажа электронных схем по заданным критериям. Выбор необходимых параметров, на основе которых происходит процесс генерации технологического процесса сборки устройства, осуществляется в виде диалога, где пользователю представляется возможность отвечать на односложные вопросы в виде да/нет. Пример подобного диалога представлена на рисунке 7.

Рис. 7. Пример диалога формирования ТП усилителя на TDA2030

Знания фреймовых сетей наполняются экспертами в своей области для автоматизации решений вопросов без участия этих самых экспертов с целью экономии временных ресурсов.

Заключение

В работе даны рекомендации по реализации основных этапов системного анализа производственных процессов с использованием визуальных инструментов (инструментов когнитивной графики). Создаваемая база визуальных моделей технологических процессов является знаниевым архивом предприятия и позволяет проводить глубокий анализ производственной деятельности, вводить корректировки, предлагать новые решения, производить реинжиниринг этапов жизненного цикла выпускаемой продукции.

Литература:

1. Маклаков С. В. BPwin и Erwin: CASE-средства для разработки информационных систем.– М.: Диалог-МИФИ, 2000г. — 304с.
2. Вудсон У. Е., Коновер Д. В. Справочник по инженерной психологии для инженеров и художников-конструкторов. Пер. с англ. — М.: Издательство «Мир», 1968. — 518 с., ил.
3. Кознов Д. В., Ольхович Л. Б. Визуальные языки проектов // Системное программирование. 2005. Т. 1. С. 148–167.
4. Власов А. И. Пространственная модель оценки эволюции методов визуального проектирования сложных систем // Датчики и системы. 2013. № 9 (172). С. 10–28.
5. Шахнов В. А., Власов А. И., Журавлева Л. В. Визуальные методы в условиях синхронных технологий передачи знаний // Тезисы докладов второй международной научно-практической конференции «Управление качеством инженерного образования. Возможности ВУЗов и потребности промышленности» — М: МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2016. С. 153–154.
6. Кознов Д. В., Перегудов А. Ф., Романовский К. Ю., Кашин А. А., Тимофеев А. Е. Опыт использования UML при создании технической документации // Системное программирование. 2005. Т. 1. № 1. С. 18–35.
7. Павлинов А. А., Кознов Д. В., Перегудов А. Ф., Бугайченко Д. Ю., Казакова А. С., Чернятчик Р. И., Иванов А. Н. О средствах разработки проблемно-ориентированных визуальных языков // Системное программирование. 2006. Т. 2. № 1. С. 116–141.
8. Власов А. И. Особенности визуальной формализации информационных потоков в системах поддержки менеджмента качества ЭА // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. № 2. С. 187–190.
9. Власов А. И. Применение методов визуального моделирования для формализации конструкторско-технологической информации // В сборнике: Информатизация образования — 2012 Материалы Международной научно-практической конференции. 2012. С. 70–78.
10. Адамова А. А., Власов А. И. Визуальное моделирование адаптации подготовки производства к выпуску новой продукции // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2014. № 2 (154). С. 46–56.
11. Власов А. И., Ганев Ю. М., Карпунин А. А. Системный анализ «бережливого производства» инструментами визуального моделирования // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2015. № 4 (160). С. 19–24.
12. Власов А. И., Кирбабин О. Е., Шепель А. С. Методология визуального проектирования как инструмент организации поддержки учебного процесса // Материалы международного симпозиума. Новые информационные технологии и менеджмент качества (NIT&MQ'2008). 2008. С. 110–111.
13. Власов А. И., Журавлева Л. В., Тимофеев Г. Г. Методы генерационного визуального синтеза технических решений в области микро-/наносистем // Научное обозрение. 2013. № 1. С. 107–111.
14. Билибин К. И., Власов А. И., Журавлева Л. В. и др. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры. Учебник для вузов — Москва, Изд-во МГТУ им.Н. Э. Баумана, 2005. 568 с. Сер. «Информатика в техническом университете» (Издание второе, переработанное и дополненное).
15. Власов А. И., Михненко А. Е. Принципы построения и развертывания информационной системы предприятия электронной отрасли // Производство электроники. 2006. № 4. С. 5–12.
16. Власов А. И., Ганев Ю. М., Карпунин А. А. Система 5S-технология создания эффективного рабочего места в концепции «бережливого производства» // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2016. № 1 (161). С. 65–68.
17. Власов А. И., Ганев Ю. М., Карпунин А. А. Картирование потока создания ценностей в концепции «бережливого производства» // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2016. № 2 (162). С. 23–27.
18. Адамов А. П., Адамова А. А., Сенькина М. А., Исмаилова И. Т. Системный анализ в управлении предпринимательскими организациями. Под общей редакцией А. П. Адамова — Изд-во Политехника. Санкт-Петербург, 2002. 251 с.
19. Кознов Д. В., Ларчик Е. В., Плискин М. М., Артамонов Н. И. О задаче слияния карт памяти (Mind Maps) при коллективной разработке // Программирование. 2011. Т. 37. № 6. С. 56–66.
20. Журавлева Л. В., Власов А. И. Визуализация творческих стратегий с использованием ментальных карт // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2013. № 1 (21). С. 133–140.
21. Маркелов В. В., Власов А. И., Зотьева Д. Е. Функциональная визуальная модель контроля качества ЭС // Проектирование и технология электронных средств. 2014. № 1. С. 25–30.
22. Сорокин А. В., Кознов Д. В. Обзор Eclipse Modeling Project // Системное программирование. 2010. Т. 5. № 1. С. 6–32.
23. Кознов Д. В. Разработка и сопровождение dsm-решений на основе MSF∗ // Системноепрограммирование. 2008. Т. 3. № 1. С. 80–96.
24. Кознов Д. В., Иванов А. Н. Поддержка концептуального моделирования при разработке визуальных языков с использованием Microsoft DSL TOOLS // Системное программирование. 2009. Т. 4. С. 105–127.
25. TDA2030 Datasheet. Электронный ресурс. URL: http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Tda2030. Дата обращения 14.06.2016.
26. Гриднев В. Н., Емельянов Е. И., Власов А. И., Леонидов В. В. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER // Датчики и системы. 2016. № 5 (203). С. 28–36.
27. Власов А. И., Маркелов В. В., Зотьева Д. Е. Управление и контроль качества изделий электронной техники. Семь основных инструментов системного анализа при управлении качеством изделий электронной техники // Датчики и системы. 2014. № 8 (183). С. 55–66.
28. Мысловский Э. В., Лукин К. Б. Статистический контроль качества сборки РЭА — Москва, Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 1982. 55 с.
29. Адамова А. А., Адамов А. П., Шахнов В. А. Методика оценки технологичности электронных изделий на этапах проектирования и производства // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 352–356.
30. Ирзаев Г. Х., Адамова А. А. Автоматизация процесса формирования системы показателей для оценки технологичности конструкции изделия // Автоматизация. Современные технологии. 2014. № 11. С. 27–33.
31. Адамов А. П., Адамова А. А., Власов А. И. Дифференциальные коэффициенты оценки технологичности электронных средств и их применение при структурно-функциональном моделировании производственных систем // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2015. № 5 (104). С. 109–123.
32. Адамова А. А., Адамов А. П. Многоуровневая модель формирования технологичности электронных средств на этапах проектирования и производства // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 11 (23). С. 12.
33. В. В. Маркелов, А. С. Кабаева Управление качеством электронных средств: учеб. пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 272 с.: ил. (Библиотека «Конструирование и технология электронных средств»: в 25 кн. Кн. 2).
34. Гоношилов Д. Концепция структурно-функционального моделирования технологического процесса производства электронной аппаратуры // Сборник трудов 18-ой Молодежной международной научно — технической конференции «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы 2016". — г.Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана. 20 апреля 2016 г. С. 47–50.