Виртуализация металлообрабатывающего производства с взаимно-однозначным восстановлением в физическом пространстве: дискретизация + детализация, кластеризация, структурирование и восстановление

Значительное увеличение производительности металлообрабатывающего предприятия немыслимо без комплексной автоматизации производства и сопутствующих процессов.
Комплексная автоматизация может быть эффективной только при условии виртуализации производства с последующим взаимно-однозначного восстановлением.

Виртуализация производства

Виртуализация производства – это установление взаимно-однозначного соответствия между физическим и информационным пространством средствами компьютерного моделирования физических объектов и операций. Виртуализация производства – это процесс адекватного моделирования, т.е. установления взаимно однозначного соответствия между физическим и информационным пространством в виртуальной среде.
Виртуальная модель производства не является тождественным понятием математической модели производства. Математическая модель является фундаментом виртуальной модели, виртуальная модель производства включает элементы визуализации математических данных для упрощения понимания структуры математической модели.
Виртуальная модель производства дуалистична и строится на основании отношения операция/объект, выражается как Obₑ=Op(Ob). Что означает – объект Obₑ, должен быть получен выполнением операции Op над объектом Ob. Символы Op и Ob, могут выражать как единичные операции и объекты, так и группы операций и объектов.

Obₑ – от анг. Object end (end-product) – рус.: конечный продукт (объект производства), готовое изделие.
Op  – от анг. Operation – рус.: операция, работа, эксплуатация, управление, действие, процесс.
Ob – от анг. Object – рус.: объект, предмет, вещь. В металлообработке это сортамент, металл, полуфабрикат детали и т.п.

Понятие об интегрированном отношении на основе дуализма Obₑ=Op(Ob) было сформулировано и введено в научный обиход японским учёным Norio Okino в 1983 году.

 

Дискретизация производства

Производство – это последовательный алгоритм действий, направленных на изменение формы и свойств физических объектов. Производство физический объектов (Opⁿ) для успешной виртуализации должно быть дискретизированно, т.е. разделено на отдельные операции и измерено. В идеальных виртуальзированных производственных системах, дискретизация производится выполняется до уровня простых измеренных физических действий (Пример Op(Ob): сверление отверстия d20 в стали С245 толщиной 15 мм = 42 с.). Чем выше уровень дискретизации производства, тем эффективнее автоматизированные системы планирование и управление производством, следовательно, выше производительность и меньше простоев оборудования. 

Понятие «дискретизация производства» относится к Opⁿ, т.е. некоторому количеству (>1) производственных операций, применяемых к Ob.

Детализация производства

Понятие «детализация производства» относится к Obₑⁿ/ Obⁿ. Детализация производства – это деление Obₑⁿ на Obₑ, Obₑ на Obⁿ, Obⁿ на Ob, Ob на hs (half-stuff (полуфабрикат)). Детализация включает 3D-описание размеров и свойств Ob (геометрические характеристики, марка стали, параметры слоя ЛКМ и другие свойства, определяющие качество изделия), а также количество и отношение (вхождение детали в узел, узла в марку (сборку) и т.д.).

Big Data (Большие Данные)

Дискретизация и детализация производства в виртуальной среде – это непрерывный процесс действующего предприятия, создающий большой объём информации, который сегодня принято обозначать термином «Big Data» (Большие Данные).

Big Data – совокупность подходов, инструментов и методов обработки структурированных и неструктурированных данных больших объёмов и значительного многообразия для получения воспринимаемых человеком или компьютерной системой результатов, эффективных в условиях непрерывного прироста, распределения по многочисленным узлам вычислительной сети.
Big Data представляет собой набор данных из традиционных и цифровых источников внутри и за пределами компании. Данные собираются везде: от датчиков, сотрудников компании, компаний-контрагентов, клиентов, сервисных центров, поставщиков и т.д., поле чего данные структурируются, анализируются и используются. Основная задача предприятий при работе с Big Data, наилучшим образом интерпретировать данные для дальнейшего использования.

VVV – совокупность определяющих характеристик Big Data:

• Volume (объём) – величина физического объёма данных
• Velocity (скорость) – скорость прироста объёма данных
• Variety (многообразие) – одновременная обработка различных типов данных, структурированных и неструктурированных.

Информационноёмкие производственные системы имеют свойства лавинообразного потока, количество данных постоянно возрастает, многообразие информации расширяется. Управлять, структурировать, интерпретировать, анализировать и использовать данные – одна из основных наиважнейших задач организации производства.
Величины VVV определяет трудоёмкость работы с информацией (трудоёмкость управления предприятием в целом и производством в частности), чем больше величины VVV, тем выше потребность в автоматизации работы с информацией.
Часто именно бесконтрольный, неструктурированный, необузданный рост VVV приводит в информационному хаосу и как следствие снижению эффективности производства. Объёмы производства растут, а прибыль предприятия сокращается – этот печальный факт встречается достаточно часто. Информационный хаос является основной причиной низкой производительности даже на хорошо оснащённых современным автоматизированным оборудованием предприятиях.   
Любая, даже хорошо структурированная информационная система предприятия будет неудобной для использования и трудоёмкой в работе с информацией, если она не кластерезована.

Кластеризация производства

Кластеризация – это процесс создания однородных групп (кластеров), состоящих из Opⁿ или Obⁿ с общими свойствами. В некоторых случаях, также рационально создавать кластеры из элементов Obₑⁿ, это особенно актуально при производстве однотипных конструкций с изменяемыми параметрами.
Проблема кластеризации заключается в том, что никто, пока не изучит локальные особенности производства, не знает каким должен быть кластер. На каждом предприятии, даже если это дочки одного холдинга, выпускающего одну и туже продукцию, структура кластеров и их взаимосвязей отличается.    
Кластеризация производства – трудоёмкий процесс, тесно связанный с образом мышления человека. Недостаточно просто изучить технологию и последовательность производственных операций, нужно понимать, как работает мышление участников производственного процесса.
Для успешной кластеризации производства недостаточно обладать математическим образом мышления, для выполнения задач кластеризации производства требуется синтетическое мышление. Специалистам занимающимся кластеризацией производства, рекомендуется как минимум изучить труды Иммануила Канта в части представлений о мышлении.

Дискретизация/детализация производства – это анализ, разделение производственных операций (действий)/объекта (предмета) на составляющие компоненты. Анализ производства (Аm) выражается как: Аm = Opⁿ/Op + Obⁿ/Ob

Кластеризация – это синтез, объединение разделённых анализом Opⁿ и Obⁿ с выявлением при этом существенных связей и однородных свойств. Синтез — инжиниринговое построение сложных систем из предварительно подготовленных блоков или модулей разных типов.
Анализ производства (дискретизация/детализация) и синтез (кластеризация) являются основными операциями разработки систем управления производством, на основе которых выстраиваются различные типологические единицы.

Операции кластеризации:

• Сравнение — сопоставление Op и Ob, при этом обнаруживаются их сходства и различия.
• Классификация — группировка по признакам.
• Обобщение — объединение по общим существенным признакам.
• Конкретизация — выделение частного из общего.
• Абстрагирование — выделение какой-либо одной стороны, аспекта предмета или явления с игнорированием других.

Структурирование производства

Человеческий мозг без тренировки неспособен к адекватному восприятию сложных многомерных систем организации производства. Когда человек находится гуще событий, работает на предприятии, изучает производственную деятельность, он постепенно начинает адекватно воспринимать окружающую реальность.
Для адекватного восприятия системы производства, объём информации полученный анализом и синтезом, следует структурировать в табличной форме, графах и в виде графического изображения средств производства (2D схем и 3D моделей CAD).
Современные интегрируемые с CAD – SIM-платформы (от анг. Simulation), такие как: DELMIA Digital Manufacturing (Dassault Systèmes), Tecnomatix (Siemens PLM Software), Factory Design Suite (Autodesk), на сегодняшний день ещё далеки от совершенства, но значительно упрощают инжиниринговый процесс виртуализации производства.
Прежде чем приступить к работе в SIM, следует осознать факт того, что без предварительного анализа, синтеза и структурирования, вышеупомянутые продвинутые инструменты не более чем средства создания красивых трёхмерных картинок производства и мультфильмов. SIM-платформы детерминированы функциональными возможностями, их инструментарий пока ограничен, этот вид прикладного программного обеспечения очень полезен для организации производства методом виртуализации, но не покрывает все потребности предприятия.
Часто приходится наблюдать, когда без тщательной подготовки, без анализа и синтеза, инжиниринговые группы по фактическим данным проектируют производство в CAD/SIM. В результате проект производства напоминает больше красивую динамическую 3D-презентацию, чем виртуальную модель производства. Такой подход инженеров-технологов к своему делу, порождает скептическое отношение к SIM-платформам со стороны руководителей предприятий, так-как экономических результатов не приносит, производительность не повышает. Но в этом виноваты сами заказчики, которые нанимают инжиниринговые компании по принципу – побеждает тот, кто предложит наименьшую цену на инжиниринговые услуги.

Тут вспоминаются слова недавно почившего в возрасте 95 лет американского астронавта Джона Гленна. Которому принадлежит высказывание:

"Пока я вгрызался в просторы космоса, у меня в голове прочно сидела одна мысль.
Каждый кусочек этой ракеты построен теми людьми, которые запросили за него наименьшую цену"

Часть ракет, запускаемых человеком в космос достигают своей цели, а часть падает обратно на землю, так и не достигнув своей цели.
Каждая нерабочая система, является нерабочей по причине проблем связанных с человеческим фактором, так как разрабатывается и производится человеком. Очень часто работоспособность системы ограничена недостаточным финансированием проекта.
Структурирование – это виртуальное моделирование производства. Неважно в какой IT-среде оно производится, важна адекватность моделирования, взаимно-однозначность физическому производству.

Восстановление производства

 
Восстановление – это процесс обратного преобразования информации, созданной в виртуальном пространстве, в физическое пространство. Восстановление происходит посредством исполнительных систем:

• числовым программным управлением - в автоматических производственных системах,
• задания на выполнение производственных операций работниками предприятия - в производственных системах с низким уровнем автоматизации.

Восстановление Op управляется системами ERP (англ. Enterprise Resource Planning, планирование ресурсов предприятия) – организационно-техническая система на основе прикладного программного обеспечения.

ERP ↔ Obₑ = Opⁿ

Восстановление Ob управляется системами PDM (англ. Product Data Management — система управления данными об изделии) — организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии в виртуальной среде прикладного программного обеспечения.

PDM ↔ Obₑ = Obⁿ

АСУП (Автоматизированная Система Управления Предприятием) – это интегрированное решение.

АСУП = ERP + PDM

АСУП интегрируется с САПР через PDM, посредствам ERP производится автоматизированное управляемое восстановление через CAM/CNC или планирование делегирования рабочих задач участникам производственного процесса.
В том случае, если виртуализация производства осуществляется с использованием набора рабочих инструментов: DELMIA Digital Manufacturing (Dassault Systèmes), Tecnomatix (Siemens PLM Software), Factory Design Suite (Autodesk), восстановление рационально производить с использованием интегрированных приложений тех же разработчиков ПО, которые являются разработчиками вышеупомянутых SIM-платформ, поэтому к выбору поставщика прикладного ПО – следует отнестись с особой тщательностью, изучая возможности всего спектра необходимых IT-решений и возможностей API.
Качество восстановления информационных потоков определяет эффективность физического производства.