Открытая реляционная модель данных технологических возможностей промышленных предприятий

Проектирование технологических процессов обработки деталей представляет собой сложную, трудоемкую и многовариантную задачу. Правильное решение удается получить после разработки и сравнения нескольких технологических вариантов. При проектировании технологических процессов для действующего производства необходимо располагать информацией об имеющемся оборудовании, площадях и иных производственных условиях. Особое внимание уделяется возможности улучшения технологичности конструкции детали, которая определяет её трудоемкость и себестоимость. Оптимизацию проектируемых и действующих технологических процессов производят по различным целевым функциям (минимальной себестоимости изготовления детали, максимальной производительности обработки и др.). Оптимальное решение строится на множестве всевозможных комбинаций использования оборудования одного или нескольких предприятий. Сегодня, технолог не имеет полной информации о технологических возможностях оборудования предприятий региона и поэтому ограничивается сравнением нескольких вариантов построения технологического процесса на одном предприятии. Предоставление технологу оперативного доступа к полной информации о технологических возможностях (ТВ) предприятий региона позволяет существенно увеличить число вариантов реализации технологических задач и повысить эффективность производства.

Повышение эффективности производства в первую очередь связано с сокращением времени поиска технологичного и рационального технологического решения. Повышение эффективности технологической подготовки производства возможно за счёт расширения информационного обеспечения АСТПП сведениями о технологических возможностях предприятий региона и реализации методов поиска вариантов построения технологического процесса.

Основными показателями технологичности являются использование высокопроизводительного оборудования, себестоимость, станкоемкость изготовления детали.

Сокращение времени построения технологичных решений возможно при организации интерактивной среды, предоставляющей инженеру-технологу необходимую информацию и расширяющий диапазон его производственных возможностей. Предоставляя технологу оперативный доступ к технологическим возможностям современного высокопроизводительного оборудования, методам подготовки произвольного технологического процесса, методам расчета целевых функций вариантов реализации технологического процесса, наборам унифицированных конструктивных решений можно существенно снизить затраты как на этапе проектирования, так и этапе изготовления деталей и узлов. Включая в информационное обеспечение данные об оборудования предприятий целого региона можно решить ряд сопутствующих задач: повышение загрузки дорогостоящего оборудования, планирования инвестиций, модернизации станочного парка, специализации производства, развития инфраструктуры региона.

Решение перечисленных задач предполагает создание распределённой автоматизированной системы эффективной организации технологической подготовки машиностроительного производства (РСТПП), которая в отличие от известных АСТПП реализует концепцию универсального представления данных о ТВ предприятий, обладающих оборудованием разного типа [1].

Главной задачей при создании РСТПП, поддерживающей автоматический многокритериальный поиск потенциальных исполнителей заказа, является разработка модели данных в форме реляционных отношений, реализующей принцип открытости и функциональной целостности [2,3], позволяющей описать технологические возможности предприятий и производственные заказы, расширять класс представленного оборудования, его свойств и атрибутов, технологических возможностей предприятий.

Основой для создания реляционной модели становится концептуальная модель данных (рис. 1) отличающаяся от традиционных моделей, применяемых в АСТПП, реализацией объектного подхода к представлению данных о технологических возможностях. Пять уровней детализации позволяют описать характеристики оборудования до уровня значений атрибутов технологических переходов и, таким образом, указать его специализацию. Именно это отличие предлагаемой модели и определяет основу для методов поиска исполнителя заказа. Описание заказа имеет подобный уровень детализации, что позволяет разрабатывать алгоритмы поиска и их реализацию.

Рис.1. Концептуальная модель данных описания технологических возможностей

Для создания реляционной модели данных необходимо сформировать проблемно-ориентированный язык, структуры данных которого определяются реляционными отношениями и функциональными зависимостями на несущем множестве реляционной алгебры Rel(T), а множество операций определяется комбинацией операторов реляционного исчисления.

Операторы проблемно ориентированного языка обеспечивают управление двухуровневой надреляционной структурой данных: открытым классификатором оборудования; описанием единиц оборудования и технологических процессов.

Определим набор операций управления открытым классификатором оборудования системы мониторинга технологических компетенций. Классификатор содержит метаданные – описания атрибутов переходов и описаний технологических переходов. На основе фиксированного набора переходов формируются описания оборудования и технологических процессов, к которым добавляются значения фактических параметров переходов. Открытость классификатора предполагает расширение как числа атрибутов, так и набора переходов в системе.

Покажем, что описания технологических переходов в описании оборудования предприятия и описаний технологических переходов производственного заказа могут быть сравнимы между собой, так как на них определены операции эквивалентности и частичного порядка.

Доказательство утверждения сравнимости экземпляров технологических переходов в описаниях единиц оборудования и технологических процессах основано на реляционной полноте операций проблемно-ориентированного языка, определения отношений эквивалентности и частичного порядка на доменах технологических переходов.

Определим атрибут технологического перехода как реляционное отношение P(p_name, p_inf, p_type),которое определяется своим именем p_name на домене D(p_name), типом единицы измерения p_inf на домене D(p_inf) и описанием способа представления значений p_type, домен которого содержит признаки перечислимого(enum), интервального(int) и скалярного типа (val). Атрибуты технологического перехода образуют динамически пополняемый перечислимый домен D(P).

На множестве атрибутов технологических переходов определены отношения частичного порядка «лучше или равен», и отношение эквивалентности «равен».

Утверждение 1: два атрибута технологического перехода сравнимы относительно отношения частичного порядка «лучше или равен», если их имена p_name и типы единиц изменения p_inf совпадают.

Утверждение 2: два атрибута технологического перехода р1 и р2 равны, если они сравнимы, а значения параметров:

-интервального типа: верхние и нижние границы интервалов равны;

-перечислимого типа: число элементов и их наименования совпадают;

-скалярного типа: значения равны.

Утверждение 3: атрибут технологического перехода p1 «лучше или равен» атрибуту технологического перехода p2, если они сравнимы, а значения параметров для:

-интервального типа: интервал р1 лежит внутри интервала p2;

-перечислимого типа: все элементы p2 содержатся в р1;

-скалярного типа: значение p2 «лучше или равно» значения p1.

Тогда технологический переход T(t_name,P,V) является реляционным отношением, кортежи которого содержат уникальное имя перехода t_name, наборы атрибутов P и значений параметров V - связанных с атрибутами значений типизированных относительно p_type.

На множестве экземпляров технологических переходов определены операции эквивалентности и частичного порядка «равно» и «лучше и равен» соответственно.

Утверждение 4: Технологические переходы T1 и T2 сравнимы, если число атрибутов переходов равно, и атрибуты с равными p_name сравнимы.

Утверждение 5: Технологические переходы T1 и T2 «эквивалентны», если они сравнимы и их параметры с равными p_name равны.

Утверждение 6: Технологический переход T1 «лучше или равен» T2, если они сравнимы, а их атрибуты с равными p_name «лучше или равны».

Основываясь на реляционной алгебре Rel(T), определим на множестве экземпляров технологических переходов полнофункциональный набор операторов: добавления QT(add), удаления QT(del), извлечения QT(sel) и сравнения QT(check) технологических переходов.

Оператор «Извлечение данных о технологических переходах» QT(sel).

Дано t_name – первичный ключ технологического перехода.

Результат: Две композиции универсальных отношений, содержащие набор атрибутов P(sel)(p_name, p_inf, p_type) и набор значений параметров V(sel)(pname, vval, vint, venum) для технологического перехода с ключомt_name.

Утверждение 7: время извлечения композиций данных экземпляра технологического перехода линейно зависит от числа атрибутов в нём.

Оператор «Добавление технологического перехода» QT(add):

Дано:t(P{p1,p2,…,pn}, V{v1, v2, … , vn}) - переход с набором атрибутов и значениями параметров переходов.

Результат: добавление перехода T(t_name,P,V) в реляционную схему. Псевдокод реализации оператора:

Начало.

Для всех Pi от 1 до n выполнить

Insert(T); Insert(Pi) -> P; Insert (vi) -> V;

Конец.

Утверждение 8: время добавления технологического перехода в реляционной схеме T(t_name,P,V) линейно зависит от числа атрибутов Р.

Оператор «Удаление технологического перехода» QT(del).

Дано:t_name– имя перехода с набором атрибутов и значениями параметров переходов.

Результат: удаление перехода из реляционной схемы T(t_name,P,V). Псевдокод реализации оператора:

Начало.

Для всех Pi от 1 до n выполнить

Del(Pi) -> P; Del(vi) -> V;

Конец.

Утверждение 9: время удаления технологического перехода из реляционной схемы T(t_name,P,V) линейно зависит от числа атрибутов перехода Р.

Оператор «Сравнение технологических переходов» QT(check).

Дано t_name1,t_name2–первичные ключи экземпляров технологических переходов с набором атрибутов и значениями параметров переходов.

Результат: Flag{«Не сравнимы», «Сравнимы», «Равны», «Лучше или равны»} - определение истинности отношения эквивалентности и частичного порядка для технологических переходов с ключами t_name1 и t_name2. Псевдокод реализации оператора:

Начало.

Flag = «Не сравнимы»;

temp(t2(p)) = t2(P);

Для всех t1(Pi) от 1 до n

Найти соответствие в temp(t2(p));

Исключить из temp(t2(P));

Если все соответствия найдены и temp(t2(P)) пусто

Flag = «Сравнимы»;

Для всех t1(Pi) от 1 до n

Сравнить t1(Pi) «равен» t2(Pi);

Если не равны Flag = «Не равны»;

Сравнить t1(Pi) «больше или равен» t2(Pi);

Если больше или равны Flag = «Больше ли равен»;

Иначе Flag = «Не равны»; Exit;

Иначе

Flag = «Равны»;

Конец.

Сравнение отношений t1 и t2 осуществляется на основе двух композиции отношений: набора атрибутов P(sel)(ti) и значений параметровV(sel)(ti) по первичным и внешним ключам получаемых после выполнения операций Q(sel)(t1), Q(sel)(t2).

Утверждение 10: операция сравнения технологических переходов выполняется за линейное время от числа атрибутов в переходе.

Сформируем описание единицы оборудования, как совокупности оборудования с индивидуальными значениями атрибутов и технологического процесса как совокупности переходов с индивидуальными значениями атрибутов. В качестве описания оборудования принимаются имена атрибутов технологических переходов в реляционном отношении Т(tname, P, V), а в качестве значений – значения экземпляров этих отношений.

Определим модель единицы оборудования, как реляционное отношение S(s_name,Т,V_s), где V_s – множество значений атрибутов переходов оборудования, s_name – уникальное имя оборудования. Все отношения S принадлежат домену D(S).

На множестве единиц оборудования определены отношения эквивалентности «технологически идентичны» и частичного порядка «лучше или такой же».

Утверждение 11: две единицы оборудования s1 и s2 сравнимы относительно операции частичного порядка «лучше и такой же», если число их технологических переходов одинаково, а сами технологические переходы сравнимы по утверждению 6.

Утверждение 12: две единицы оборудования s1 и s2 «технологически идентичны», если они сравнимы и технологические переходы относительно утверждения 5 эквивалентны.

Утверждение 13: единица оборудования s1 «лучше или такая же» как s2, если они сравнимы и все технологические переходы P(s1) «лучше или равны» P(s2).

Определим операторы извлечения Q(sel)(s), добавления Q(add)(s), удаления Q(del)(s), и сравнения двух единиц оборудования Q(check)(s).

Оператор «Извлечение данных о единице оборудования» Q(sel)(s).

Дано: s_name – имя единицы оборудования.

Результат: универсальное отношение S(s_name,T,V) при условии s_namе.

Оператор «Добавление единицы оборудования» Q(add).

Дано: s(sname, T{t1, t2, …tn}, Vs{vs1, vs2, …, vsn}) –описание единицы оборудования с набором технологических переходов Т и значениями параметров переходовVs.

Результат: добавление описания единицы оборудования s в реляционную схему. Псевдокод реализации оператора:

Начало.

Для всех Ti от 1 до n выполнить

Insert(S); Insert(Ti) -> T; Insert (vsi) ->Vs;

Конец.

Утверждение 14: время добавления описания единицы оборудования S(s_name,T,V) линейно зависит от числа технологических переходов в нём.

Оператор «Удаление единицы оборудования» Q(del).

Дано: s_name - имя единицы оборудования.

Результат: удаление описания единицы оборудования s из реляционной схемы. Псевдокод реализации оператора:

Начало.

S(sel) (Sname) ->S(s_name,T,V);

Для всехТi от 1 до n выполнить

Del(Ti) -> T; Del(vsi) ->Vs; Del (Sname);

Конец.

Утверждение 15: время удаления описания единицы оборудования S(s_name,T,V) линейно зависит от числа технологических переходов в нём.

Операция «Сравнение единиц оборудования S1 и S2» Q(check)(s).

Дано s_name1,s_name2 – первичные ключи описаний единиц оборудования.

Результат: Flag{«Не сравнимы», «Сравнимы», «Равны», «Лучше или равны»} - определение истинности отношения эквивалентности и частичного порядка для технологических переходов с ключами s_name1 и s_name2. Псевдокод реализации операции:

Начало.

Flag = «Не сравнимы»;

temp(s2(t)) =s2(t);

Для всех s1(Ti) от 1 до n

Найти соответствие в temp2(N);

Исключить из temp(s2(N));

Если все соответствия найдены и temp(s2(Т)) пусто

Flag = «Сравнимы»;

Для всех s1(i) от 1 до n

Сравнить s1(Pi) «равен» s2(Pi);

Если не равны Flag = «Не равны»;

Сравнить s1(Pi) «больше или равен» s2(Pi);

Если больше или равны Flag = «Больше ли равен»;

Иначе Flag = «Не равны»; Exit;

Иначе

Flag = «Равны»;

Конец.

Утверждение 16: Основываясь на технологии выполнения операций естественного соединения и проекции реляционного исчисления, время выполнения операции сравнения моделей оборудования линейно зависит от числа технологических переходов единицы оборудования.

В общем случае сравнение оборудования относительно утверждения 13 является избыточным, и следует определить дополнительное отношение частичного порядка T(P(res), V(res)) «выполняется на» s_type.

Утверждение 17: если все атрибуты P(res) сравнимы с атрибутами P(stype) и все технологические переходы Т(stype) «не хуже чем» T(res), то переходы выполняются на данной модели.

Введём операцию QP(check)(s) - сравнения произвольного набора технологических переходов T(P(res),V(res)) с технологическими переходами оборудования stype.

Тогда процесс сравнения набора технологических переходов относительно единицы оборудования определяется следующим образом:

Дано: s(s_name,Ts, Vs) - , T(Pt,Vres)

Результат: Flag{«Выполняется», «Не выполняется»} проверка истинности отношения частичного порядка «выполняется на». Псевдокод реализации операции:

Начало.

Flag = «Выполняется»;

Для каждого Tii=1 до n

Найти Ts из s;

Если Tinot«выполняется»на Ts;

Flag = «Не выполняется»; Exit;

Конец.

Утверждение 18: время проверки возможности выполнения технологического перехода T(res) на единице оборудования stype составляет O(n²) от числа технологических переходов.

Совокупность оборудования предприятия определяется, как реляционное отношение E(s_name,S_e, e_name), где s_name – идентификатор оборудования, e_name – идентификатор предприятия, S_e – описание единицы оборудования со значениями V_s – оборудования s_name предприятия e_name. При этом технологические возможности оборудования, могут быть представлены в виде Представив описание технологического процесса в виде реляционного отношения R(T,V_r), где T – технологические переходы описания технологического процесса, а V_r – множество значений атрибутов переходов описания технологического процесса, набор операций P принадлежит домену D(P) с согласованными наборами типов и значений параметров Vr, получим возможность представления конкретного производственного заказа в виде:.

Тогда операция поиска Seek(R,P) технологического процесса на наборах оборудования определяется, как процесс выбора оборудования, выполняющего заданный переход ТП согласно критерию (например) использования наименьшего числа моделей оборудования: .

Сформированный на основании представленных утверждений и операторов набор операций является достаточным для реализации модуля поиска потенциальных исполнителей производственного заказа распределённой системы поддержки интеграции технологических возможностей. Предложенная модель данных обеспечивает информационную целостность системы. Введение операции сравнения для предложенной модели данных теоретически обосновывает возможность разработки и реализации алгоритмов поиска исполнителей производственного заказа среди участников распределённой системы интеграции производственных возможностей.

Литература: