НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ЛІСОВИЧЕНКО ОЛЕГ ІВАНОВИЧ

УДК 621.38(52-62)

РОЗРОБКА ОБ’ЄКТНО-ОРІЄНТОВАНОГО СЕРЕДОВИЩА МОДЕЛЮВАННЯ МАТЕРІАЛЬНИХ ПОТОКІВ ГНУЧКОЇ ВИРОБНИЧОЇ СИСТЕМИ

05.13.20 – Гнучкі виробничі системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України (м. Київ)

Науковий керівник кандидат технічних наук, професор

Ямпольський Леонід Стефанович,

Національний технічний університет України ,,КПІ”,

професор кафедри технічної кібернетики

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Томашевський Валентин Миколайович,

Національний технічний університет України ,,КПІ”, професор кафедри автоматизованих систем обробки інформації і керування;

кандидат технічних наук, доцент

Кирилович Валерій Анатолійович,

Житомирський державний технологічний університет, доцент кафедри автоматизації та комп'ютеризованих технологій.

Захист відбудеться “_22_”_жовтня_ 2007 р. о _1430_ годині на засіданні спеціалізованої Вченої заради Д 26.002.04 Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою : 03056 Київ-56, проспект Перемоги, 37, корп. № , ауд. 432.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України ,,Київський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “____” __вересня__ 2007 р.

В.о. вченого секретаря ради Д 026.002.04,

д.т.н., професор О.А.Стєнін

Актуальність теми досліджень. Сучасні виробничі системи передбачають максимальну гнучкість автоматизованих розподілених транспортних систем (АРТС), які у гнучких виробничих системах (ГВС) служать зв’язуючим ланцюгом для позицій обробляючих ресурсів. Такі системи складаються, як правило, з окремих автономних транспортних засобів – робокарів (РК) з бортовими контролерами і формуванням в реальному часі керуванням, функціями якого є: маршрутизація і розподіл шляху, диспетчерування РК і загальне упорядкування транспортних потоків в умовах невизначеності навколишнього середовища і виникаючими в системі нештатними ситуаціями (перевантаження, відмови тощо) або неповноти та динамічності щодо реального зовнішнього оточення. У першому випадку визначальною проблемою є розподіл ресурсів та планування завдань їх обслуговування транспортними засобами, а у другому – забезпечення останніх можливістю переадресування і каналами сенсорної чутливості. За наявності початкових умов, законів, які лежать в основі тих чи інших деструктивних явищ, ці знання можуть бути поданими у вигляді відповідних математичних залежностей, на підставі яких можна передбачити поведінку окремих складових і системи в цілому.

Методи моделювання ГВС повинні враховувати властивості побудови системи і процесів, що протікають в ГВС. Характерним для реалізації ГВС є висока складність і науково-технічна насиченість, модульність й ієрархія будови. Серед інших визначальних властивостей ГВС, які відбиваються на ефективності їхньої розробки й використання, варто врахувати дискретність виробничих процесів, конвеєрний характер матеріальних потоків, циклічність у послідовностях технологічного функціонування, що вимагають синхронізації й координації подій і процесів, які відбуваються в системі.

Складність моделювання полягає у коректності визначення найбільш важливих (релевантних) у цьому випадку факторів й опису їх впливу на функціонування системи. Завданням моделювання ГВС є порівняння варіантів проектування системи, дослідження властивостей й оптимізація.

Слід зазначити тенденцію до створення засобів машинної обробки та відображення функціонування складних динамічних систем з дискретним компонентом (об'єктом) у різних пакетах комп'ютерного моделювання (Simulink, TESS, VisSim1, Statemate MAGNUM, eM-Plant, i-Logic Rhapsody, Model Vision). Проте, ці пакети не дозволяють повною мірою інтегровано реалізувати необхідні функції:підтримку роботи із БД елементів ГВС на різних рівнях ієрархії; автономність і паралельність обчислень; зручність інтерактивного спілкування для користувачів різних рівнів кваліфікації; можливість композиційної побудови, аналізу та синтезу моделей; можливість візуалізації результатів (як кінцевих так і проміжних) роботи окремих модулів і ГВС в цілому.

Проблема побудови таких програмних комплексів актуальна, а їхнє створення підвищить ефективність синтезу/аналізу ГВС. Запропоновано підхід до створення об’єктно-орієнтованого середовища, що дозволяє ефективно вирішувати зазначені завдання за рахунок забезпечення уніфікованої методологічної й програмної підтримки всіх фаз створення системи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконана в рамках дослідницької та науково-методичної роботи кафедри технічної кібернетики Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” згідно з тематичним планом № 5 науково дослідницьких та конструкторських робіт на період від 02.04.2001 р. до 30.04.2006 р. „Разработка методического обеспечения подготовки специалистов в области информационных технологий”

Мета і задачі досліджень

Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності синтезу та аналізу ГВС за рахунок комплексного моделювання процесів на основі об’єктно-орієнтованого підходу.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:

1. Проведення аналізу процесів функціонування ГВС як об'єкта моделювання;

2. Аналіз методів формального відображення властивостей процесів функціонування ГВС для їхньої інтеграції в загальне об’єктно-орієнтоване середовище;

3. Вибір й адаптація методів рангової кореляції оцінки ефективності опису формалізмами властивостей процесів;

4. Реалізація механізму оцінки ефективності формального відображення методами властивостей процесів функціонування ГВС;

5. Аналіз і вибір типових компонувальних структур ГВС для їхньої інтеграції в загальне об’єктно-орієнтоване середовище;

6. Проведення аналізу об’єктно-орієнтованого підходу для формування БД математичних моделей ГВС у вигляді об'єктів на різних рівнях ієрархії;

7. Розробка комплексу програмних засобів для роз’язання задач моделювання та аналізу функціонування ГВС;

8. Розробка засобів інформаційного узгодження об'єктів для їх адекватного відображення в процесі моделювання ГВС;

9. Проведення експериментального синтезу/аналізу моделі ГВС та апробація програмного комплексу.

Об'єктом дослідження є гнучка виробнича система.

Предметом дослідження є процес синтезу/аналізу ГВС на етапі моделювання матеріальних потоків системи.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- запропоновано метод “виключаючого” вибору компонуючих структур ГВС на базі методологічної основи формального опису їх функціонування;

- розроблено підхід комплексного використання методів відображення властивостей процесів функціонування ГВС;

- вперше реалізовано можливість інтеграції поширених методів формального опису для більш ефективного й повного подання процесів функціонування системи (об'єктні СП, різницеві рівняння, методи маршрутизації транспортних потоків на базі процесних алгебр);

- розроблено ряд функцій визначення й візуалізації змінних просторового положення як при абстрагованому описі системи на верхньому рівні ієрархії, так й окремих модулів системи (ГПМ, ПР, АТМ і т.д.) на більш низьких рівнях опису системи;

- реалізовано підхід інформаційного узгодження й підготовки вхідних/вихідних даних на базі XML-документа;

Практичне значення отриманих результатів роботи визначається її спрямованістю на скорочення часу операцій транспортування об'єктів та підвищення продуктивності гнучкого виробництва (з точки зору швидкодії). Практичними результатами є:

1. Розроблено алгоритмічне й програмне забезпечення середовища комплексного проектування ГВС.

2. Сформована база даних компонувальних структур ГВС.

3. Сформована база даних основних процесів функціонування ГВС, їх властивостей, а також вагових коефіцієнтів ефективності методів формального відображення процесів;

4. Розроблено підхід щодо інформаційного й семантичного узгодження методів опису процесів і вирішення задач функціонування матеріальних потоків у ГВС;

5. Розроблено об’єктно-орієнтоване середовище моделювання матеріальних потоків ГВС.

Особистий внесок здобувача. З метою ефективного синтезу/аналізу ГВС автором особисто проведено аналіз досліджень та обґрунтування ефективного вибору відомих методів формального опису властивостей процесів виробничої системи. Проведено аналіз об’єктно-орієнтованого підходу щодо моделювання АРТС в ГВС.

Розроблені алгоритм та програмне середовище комплексного моделювання процесів ГВС. В роботі наведені результати досліджень, що були отримані особисто Лісовиченко О.І. При використанні відомих положень та залежностей мають місце коректні посилання на авторів та вiдповiднi джерела.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідались та були схвалені на наукових конференціях, серед яких:

Міжнародна науково-технічна конференція “Проблеми автоматизації технологічних об'єктів” у м. Севастополі 12-16 травня 1998р.; міжнародна науково-технічна конференція “Приладобудування-99”, м. Ялта, 20-25 вересня 1999 р.; міжнародна науково-технічна конференція “Проблемы автоматизации технических объектов и технологических процесов в машиностроении, на транспорте и в энергетике” у м. Севастополь, 11-15 травня 1999 р.; міжнародна науково-технічна конференція “Приладобудування-2000”, п. Симеіз, 18-23 вересня 2000 р.; міжнародна науково-технічна конференція “Техника и технология сборки машин” у м. Pzeszow - Bystre, Poland, 22-25 травня 2001р.; міжнародна науково-технічна конференція “Приладобудування-2001”, п. Симеіз, 17-21 вересня 2001р.; міжнародна науково-технічна конференція “автоматизация: проблемы, идеи, решения” у м. Севастополі, 20-24 травня 2002 р.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 24 статті в наукових виданнях ВАК України й 7 статей у матеріалах конференцій. Роботи написані разом з науковим керівником.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновку, бібліографії і додатків. Загальний обсяг роботи 192 сторінки машинописного тексту, включаючи 34 рисунки, 6 таблиць і 5 додатків. Список літератури включає 167 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі сформульована наукова проблема, обґрунтовані важливість і актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і основні задачі досліджень. Викладені основні положення і результати, досягнуті під час виконання дисертаційної роботи, а також їх наукова новизна і практичне значення одержаних результатів.

Перший розділ присвячений аналізу структурних особливостей ГВС. Розглянуто гнучке автоматизоване виробництво (ГАП) у вигляді ієрархічних рівнів: гнучкий автоматизований завод (ГАЗ) >цех (ГАЦ)>лінія (ГАЛ)>ділянка (ГАД)>модуль (ГВМ)>технологічні пристрої (ТП). Виходячи з того, що основним напрямом дослідження є матеріальні потоки ГВС, представлено транспортно-накопичувальну і завантажувальну системи у вигляді інформаційних і транспортних зв'язків між компонентами виробничої системи.

Проведено аналіз реальних ГВС, які відзначаються ієрархічною структурою, модульністю, неоднорідністю будови. Розробка та реалізація реальних розподілених систем, що вже по собі є дуже складним завданням, часто ускладнюються їх гетерогенною природою і складними схемами синхронізації та координації потоків.

Гетерогенна система об'єднує компоненти, які можуть суттєво відрізнятися по типу кон-струкції, принципах функціонування і т.д. Наприклад, інтелектуальні системи, що включають символічне, чисельне та графічне подання, складні аналого-цифрові, комп‘ютерно-інтегровані прилади керування тощо.

В результаті проведеного аналізу методів моделювання, з‘ясовано, що використання при моделюванні ГВС різних технік повинно підтримуватися загальним семантично узгодженим середовищем, у якому методи опису одних моделей одночасно можуть бути семантичним базисом для подання інших з відповідними змінами семантики до всього композиційного простору станів ГВС. Сформульовано вимоги, які накладаються при моделюванні ГВС на умовно цільове інформаційно-, семантично - узгоджене середовище моделювання (рис. 1). Це, насамперед, формалізм, на основі якого будуються складові частини моделей і який може відображати асинхронність, паралельність, тупикові ситуації. Цей формалізм має композиційні властивості й забезпечений набором відповідних операторів алгебраїчного типу для довільних об'єднань підмоделей . Такі композиційні оператори мають можливість реалізувати східчасте (розпливчасте) залучення підмоделей ; останньому випадку відповідає композиція підмоделей М1 і М3, де підмодель М3 вважається лише частково “охопленою” оператором (що умовно зображено її невиразним становищем М’3 ). Також можуть моделюватися міжмодульні матеріальні й інформаційні потоки , потоки з різною, у тому числі з нечіткою залежністю елементів . При цьому, незалежно від послідовності комбінування й групування на підмоделі, структура й поводження системи, яка моделюється, визначається однозначно й завжди може бути відтворена й проаналізована. Середовище моделювання враховує взаємодію з методами формального відображення властивостей.

Концепція розподіленого керування прослідковується і у моделях на базі процесних алгебр (ПА) та сіток Петрі (СП). Зокрема, у сітьовому середовищі активація/вимикання потоків приймає форму активаціі/деактивації необхідних компонентів.

Поведінка системи, поданої за допомогою процесно-алгебраїчних термів або сіток Петрі, визначається операційною семантикою: спеціальні правила виведення дозволяють отримувати описи нових станів, що є результатами певних дій.

Впровадження нових операторів композицій, нечіткого подання вимагає наявності відповідно модифікованих правил виведення. Такими правилами можуть бути: початкові (“чіткі”); правила, за допомогою яких виводяться зміни станів у нечітких множинах процесів нечіткі множини правил (чітких), визначені на окремих процесах.

Рис. 1. Цільове середовище моделювання

Проаналізовано сучасні підходи в області моделювання й аналізу ГВС. При розгляді сучасних підходів щодо створення засобів для комп'ютерного моделювання й автоматичного аналізу поводження складних динамічних систем з дискретним компонентом (об'єктом) у різних пакетах комп'ютерного моделювання (Simulink, TESS, VisSim1, Statemate MAGNUM, i-Logic Rhapsody, Model Vision, eM-Plant та ін.), і перевагу надану розробці об‘єктно-орієнтованого середовища моделювання матеріальних потоків ГВС з можливістю комплексного підходу щодо використання методів формального відображення властивостей процесів функціонування системи.

Зазначене вище дозволяє визначити напрям досліджень, якому присвячена дана робота. Сформульовано мету і задачі досліджень, які наведені вище.

В другому розділі було здійснено аналіз існуючих методів формального опису ГВС, які використовуються при моделюванні: графо-аналітичні методи теорії графів, в тому числі і ті, що базуються на теорії сіток Петрі (СП-методи), комбінаторика, теорія масового обслуговування, процесні та діоідні алгебри, сформульовані вимоги щодо коректності використання методів. Однак для більшості типів завдань і формалізованого відображення процесів визначені найбільш ефективні математичні методи, які повинні враховувати наступні особливості функціонування ГВС: циклічність; дискретність; асинхронність; паралельність; наявність черг; конкуренція за ресурси.

Отже, виробничий процес в ГВС складається з окремих асинхронних і узгоджених технологічних процесів, що відбуваються одночасно на різних оброблюючих ресурсах. При цьому інформаційні та матеріальни потоки ГВС легко піддаються ідентифікації та дослідженню.

В межах дисертації було визначено три основні групи методів, осмислення і комплексне урахування яких певною мірою сприятиме розв’язанню загальної проблеми підвищення ефективності синтезу/аналізу ГВС при створенні її моделі та подальшому дослідженню і верифікації змодельованої системи:

Методи формального опису та відображення процесів функціонування системи.

Теорія кінцевих автоматів (КА). В автоматному поданні ГВС розглядається як п’ятірка , де — це множина (алфавіт) подій, Q — множина станів, — функція переходів (часткова), — початковий стан, — множина позначених станів.

Динаміка системи трактується в термінах здійснених переходів у такому автоматі і їхніх послідовностей і описується словами з мови L, породженої D: .

Теорія автоматів забезпечує розвинений апарат опису й аналізу переходів між станами системи, однак не відображає причинно-наслідкові відносини на рівні внутрішніх процесів, а також паралелізм, що витікає із часткової впорядкованості подій у ГВС; крім того, композиція моделей й їх ієрархічний опис у рамках апарата дещо ускладнені.

Системи масового обслуговування (СМО). Методи і результати теорії масового обслуговування використовуються при роз’язанні задач аналізу процесів функціонування ГВС як системи, у якій виконуються однорідні операції обслуговування. Найпростіший і вивчений клас СМО — марківські процеси у вигляді аналітичних виразів.

При використанні формалізмів СМО марківським процесом визначають випадковий процес зі значеннями з фазового простору , що задовольняє наступній властивості: для кожного набору моментів часу з Т і будь-якої множини є справедливим: . , де . Апарат СМО дозволяє розраховувати імовірності знаходження системи в конкретному стані, інтенсивності переходів тощо.

Сітки Петрі (СП). Ефективним інструментом моделювання дискретних процесів є сітки Петрі. Їх основні особливості — можливість відображати паралелізм, асинхронність, ієрархічність об’єктів, що моделюються, більш простими засобами, ніж при використанні інших засобів моделювання. Сітки Петрі розроблялись спеціально для побудування системних моделей процесів, установ і систем, в яких значну роль відіграють матеріальні та особливо інформаційні потоки, що регулюються.

До недоліків можна віднести недостатні комбінаційні властивості, обмежені можливості синтаксичного опису, швидке зростання розмірності при зростанні масштабів системи.

Методи вибору та прийняття рішень в умовах невизначенності.

Процесні алгебри (ПА). Нехай X є множиною. Нечіткою підмножиною A множини X є множина впорядкованих пар A={x,A(x)}, де x О X, і mA(x) О [0,1] називається ступенем належності x до множини A. -рівнем множини A називається підмножина {x Ѕ О X   mA(x) і a}; a-рівень позначається Aa. Множина всіх нечітких (під)множин множини X позначається F(X). S є множиною символів дії (або міток); ця множина розбита на дві підмножини, що не перетинаються: S=SuSc, де Su складається з некерованих дій, а Sс об’єднює всі керовані дії. У процесно-алгебраїчному середовищі кожний процесний терм P формується на множині S, за допомогою операторів ¦ (паралельна композиція; наприклад, P1¦P2), * - (послідовна композиція; наприклад, P1*P2), ? - (вибір; наприклад, P1 • P2), та .[.¬.] (розкриття; наприклад, P1[a0 ¬ P2]).

Продукційні правила (ПП).У моделі правил знання подаються сукупністю правил вигляду “ЯКЩО — ТО”. СБЗ, які ґрунтуються на цій моделі, називаються продукційними. Вони містять два діаметрально протилежні типи — з прямими (діагностичними) та зворотними (задачі проектування) виведеннями.

В основі правил (або продукцій) лежить конструкція вигляду “ЯКЩО {умова}, ТО {наслідок}”. Умовна частина її називається антецедентом, а заключна — консеквентом. В загальному вигляді продукцію можна подати як: де п — ім'я (ідентифікатор) продукції; S — характеристика сфери застосування продукції (область компетенції); U — умова застосування; В C — ядро (власне конструкція “ЯКЩО; ТО”); Р — пост-умови продукції (які виконуються після її реалізації).

Нейронні сітки (НС). Спрощене уявлення функцій нейрона: x1. x1... x5 - вхідні сигнали; w1... w5 - синапси (вагові коефіцієнти); (q - порогова величина; f - активаційна функція; у - вихідний сигнал

Нейрон може приймати лише два стани: або він збуджений, або пасивний. Тому для цих двох станів досить використовувати двійкові числа, наприклад, числа 0 і 1. Коли оброблені в такий спосіб вхідні сигнали досягають нейрона, вони збуджують його лише тоді, якщо сума усіх величин потенціалів перевершить деяке граничне значення. У моделі нейрона формується сума усіх входів, перемножених на значення синапсів, і порівнюється з граничним значенням q. Якщо сума перевищує q, вихідний сигнал нейрона (величина сигналу аксона) встановлюється на 1, в противному випадку - на 0. Формальне подання функцій нейрона наведено на рис. 1.2, де х1, х2, х3, х4, x5 - вхідні величини; w1, w2, w3, w4, w5 - величини синапсів (ваг), якщо сума , то нейрон збуджений, тобто y = 1.

Активаційна функція f(x) може в деталях варіюватися. Вище були відзначені стани нейрона двійковими величинами 0 і 1. Можуть застосовуватися й інші пари. У багатьох випадках зручніше працювати з величинами + 1 і -1. Можливо застосувати різні активаційні функції f(x); а) сигмоїдна функція; б) функція гіперболічного тангенсу; в) гаусівська функція  ; г) інверсна мультиквадратична функція; д) трикутна функція (для нейро-фаззі-систем); е) трапецієвидна функція (для нейро-фаззі-систем).

Таким чином, нейронна сітка утворюється шляхом послідовного чи паралельного сполучення ряду нейронів.

Методи об‘єктно-орієнтованого підходу інформаційного та семантичного зв‘язку компонентів.

Також було розглянуто питання стосовно методів об‘єктно-орієнтованого підходу. Висвітлено етапи аналізу в об‘єктно-орієнтованих методах, які ґрунтуються на об'єктній декомпозиції предметної області, що представляється у вигляді сукупності об'єктів, взаємодіючих між собою за допомогою організації транспортних та інформаційних потоків.

Рис. 2. Структура взаємозв‘язків між об'єктами та класами ГВС

Було викладено основні принципи об‘єктно-орієнтованого підходу: принцип інкапсуляції, який декларує заборону будь-якого доступу до атрибутів об'єкта, крім як через його операції (методи); принцип спадкування, що декларує створення нових класів від загального до частки. Нові класи, які зберігають всі властивості класів-батьків, також містять додаткові атрибути й операції, що характеризують їхню специфіку; принцип поліморфізму - декларує можливість роботи з об'єктом без інформації про конкретний клас, екземпляром якого він є.

При описі інформаційних зв‘язків між компонентами (об‘єктами) системи (рис .) була використана графічна мова моделювання UML (Unified Modeling Language - Уніфікована Мова Моделювання).

Представлено схему, яка дозволяє розділити предметну область на частини, а завдання на дрібні відносно незалежні частини. Між частинами предметної області встановлюються зв'язки, які позначають можливість взаємодії об'єктів із цих частин один з одним.

У третьому розділі визначено загальну структуру програмного середовища та алгоритм проектування моделей ГВС, який передбачає використання базового структурованого набору. Даний підхід дозволяє уніфікувати проектні рішення в рамках систем певного класу, установити раціональний порядок їхнього прийняття й починати проектування з деякого вихідного "каркаса", що задовольняє початковим вимогам системи.

Рис. 3. Узагальнений алгоритм моделювання моделі ГВС.

Представлена формалізація базується на виборі компонувальної структури проектуючої системи, що дозволяє істотно полегшити розв’язання основного завдання об‘єктно-орієнтованого проектування: допомагає визначити склад програмних об'єктів і правила їх взаємодії. Очевидно, що для складної системи це завдання повинно вирішуватися поетапно. Наявність такого підходу дозволяє організувати ефективний процес проектування й безконфліктного проведення змін у виборі будь-якого ступеня складності. Отже, було запропоновано реалізовувати проектування моделі за методом спадного проектування (рис. 3), який полягає в тому, що розробку моделі ГВС починати з визначення компонувальної структури системи, на основі якої потім визначаються вхідні/вихідні модулі функціонування системи.

У четвертому розділі розглянуто практичне застосування розроблених алгоритмів у задачах моделювання матеріальних потоків функціонування гнучких виробничих систем.

Побудовано модель ГВС з періодичним характером функціонування, яка циклічно виконує ідентичні обмежені набори виробничих програм. Розклад обслуговування обробляючих ресурсів автоматизованою розподіленою транспортною системою (АРТС), за яким стабілізується функціонування ГВС, забезпечує одночасно і мінімальний цикловий час. Отже, АРТС - розподілена система, яка складається з автономних циклових процесів (або транспортних потоків), утворюючих загальний набір і конфігурацію шляхопровідних секцій з визначеними віддалями між їх перетинами. Для вирішення задачі оптимізації часу транпортування був використаний принцип “віртуальних асинхронних транспортних світлофорів” (ТС), який на маршрутних перетинах забезпечує механізм синхронізації з локальним обмеженням потоку робокарів (РК) і, таким чином, “світлофорне регулювання” завершується усталеним циклічним режимом системи (рис. 4).

Приймаючи до уваги особливості функціонування АРТС сформулюємо визначення:найменшої часової відстані між двома заданими РК уздовж шляхової секції петлеподібної структури АРТС; часу руху РК уздовж заданого маршруту АРТС; найкоротшого з усіх можливих маршрутів, поєднуючих дві задані позиції у петлеподібній структурі шляхів АРТС.

Рис. 4. Конфігурація петлеподібної АРТС з можливими шляхами руху РК.

Перед поданням формалізмів моделювання впровадимо деякі позначення:n - кількість перетинів (перехресть) в структурі петлеподібної АРТС

Граф конфігурації АРТС подається матрицею (n+1)(n+2) з Aij=tij , діагональними елементами Aij=0 та позадіагональними елементами Aij=, якщо нема безпосереднього зв’язку між i–м та j–м пертинами.

Для відображення внутрішньої логіки функціонування та аналізу поведінки будується СП транспортної системи (рис. 5). При практичному використанні АРТС будується дерево досяжності та матричне подання СП та вирішується питання щодо призначень ТС-регулювань, які утворюють самосинхронізуюче керування з метою підтримки як високих швидкостей руху РК, так і усталеного живлення матеріальними потоками високоємких виробничих процесів без їх переривання.

Час пересування РК уздовж заданого маршруту задається як y=xn+1(n+1), де xn+1 - це (n+1)-а компонента вектора стану, вивідного з рівнянь:X(k)=B(k-1)x(k-1); B(k-1)=C+Z(k-1); C=A+R;Z(k-1) = -[(A+P+e xT(k-1)) T] R, де x(0) початковий час руху РК; e – це (n+2)1 – вектор зі всіма елементами, які дорівнюють нулеві.

рис. 5. Складова СП петлеподібної АРТС.

Найкоротший з можливих час руху у між заданими ділянками петлеподібної структури АРТС обчислюється за наступним виразом: .

Після обробки результатів з урахуванням фаз Pij перемикання ТС, маршрут 0146 з часом XT={0,10,34,44} Lk=1232 у цілому за часом прибуття РК на кінцеву позицію структури АРТС стає найскорішим, ніж інші найближчі альтернативні маршрути (рис. 6): 01346, XT={0,10,37,50,60}, Lk=1432 та 02346. XT={0,22,34,50,60}, Lk=1862.

Рис. 6. Часова діаграма маршруту з пятьма перехрестями.

Отже, при застосуванні формалізму ПА знаходимо найкоротший за загальним часом маршрут руху між початковим і кінцевим пунктами АРТС–структури при керуванні рухом РК за допомогою ТС. Втім, для задоволення вимог ефективного функціонування ГВС, необхідно розв’язати задачу синхронізації роботи усіх системних ТС.

Наведений механізм забезпечує керування РК в таких АРТС без зупинок, тобто з постійними (усталеними) циклами пересування. Іншими словами, наведене алгебраїчне розширення уявляє собою інструмент для моделювання мультиподійної синхронізації між конкуруючими та взаємодіючими процесами.

У висновку сформульовано основні висновки і результати, отримані у роботі.

У додатках представлено акт про впровадження результатів дисертації та приведено обробку результатів моделювання й оптимізації ГВС в комп’ютерному об’єктно-орієнованому середовищі, а також інші допоміжні матеріали, що доповнюють основний зміст дисертації.

ВИСНОВКИ

Загальним підсумком роботи є створення об’єктно-орієнтованого комплексу моделювання матеріальних потоків взаємозалежних компонентів ГВС. Конкретні результати роботи полягають у наступному:

1. На підставі теоретичного огляду досліджень в області методів аналізу процесів функціонування ГВС як об'єкта моделювання наведено класифікацію ГВС, що дозволяє виявити їх основні структурні схеми, а також показано зв'язок між основними показниками функціонування компонентів системи.

2. Проаналізовано методи формального відображення властивостей процесів функціонування ГВС та обґрунтовано доцільність інтеграції в загальне об’єктно-орієнтоване середовище з можливістю вибору й адаптація методів відносно поставлених задач.

3. Обгрунтовано вибір типових компонувальних структур ГВС для їх інтеграції в загальне об’єктно-орієнтоване середовище. Використання базових компонувальних структур дозволяє істотно полегшити рішення основного завдання об‘єктно-оріентованого проектування та допомагає визначити склад програмних об'єктів і правила їх взаємодії.

4. Проведено аналіз підходів щодо формування математичних моделей ГВС у вигляді об'єктів на різних рівнях ієрархії та формування узгодженості передачі інформаційних потоків між об‘єктами. Було запропоновано використання технології XML-документів як для формування запитів між об‘єктами, так і для зберігання інформації.

5. Розроблено об‘єктно-орієнтований комплекс програмних засобів для вирішення задач моделювання та аналізу функціонування ГВС. У запропонованому підході моделююча система розглядається як набір підсистем, кожна з яких, у свою чергу, являє собою сукупність компонентів певного класу. Модульна структура побудови й вибору алгоритмів та “активації” об‘єктів певного класу базується на використанні продукційних правил, таблиць типових конфігурацій, що задовольняють вимогам, визначеним користувачем при виборі КС.

6. На базі середовища проведено експериментальне моделювання системи, композиційна складова якої розглядається як робоче місце з конкуруючими за доступ до загальних обробляючих ресурсів робочих потоків, яке об’єднує технологічне устаткування, вхідний/вихідний буфери обмеженої потужності та обслуговуючі їх промислові роботи.

Результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес кафедри технічної кібернетики Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кузьмін П.В., Лавров О.А., Лісовиченко О.І., Остапченко К.Б., Ямпольський Л.С. Модифікація апарату сіток Петрі і моделювання складних комп’ютерно-інтегрованих систем з ієрархічною семантикою подання процесів//Вісник ЖІТІ, Житомир:ЖІТІ, 1998. № 8.-С. 80-92.

Здобувач виконав експериментальні дослідження методу модифікованих сіток Петрі при моделювання складних комп’ютерно-інтегрованих систем.

2. Лавров О.А.Сігал О. Л.Лісовиченко О.І. Узагальнена композиція сітьових моделей ГВС//Новые решения в современных технологиях. Вестник ХГПУ.- Харьков 1999. Вып. 58.- С. 32-34.

Здобувачем запропонована структура упорядкування сітьових моделей ГВС.

3. Лавров О.А., Лісовиченко О.І.,. Сігал О. Л, Ямпольський Л.С. Функціонально-еквівалентні перетворення структурних моделей гнучких виробничих систем // Системні технології. Системне моделювання технологічних процесів: Регіональний міжвузівський збірн. наук. праць.-Випуск 6.-Дніпропетровськ, 1999. –С. 84-90.

Здобувачем запропонована методика аналізу сітьових моделей ГВС.

4. Лавров А.А., Лисовиченко О.И., Ямпольский Л.С. Обучение и двухуровневая нечеткая оптимизация в разработке компьютерно-интегрированных систем // Радіоелектроніка, інформатика, управління.-1999.-№2.-ЗДТУ, Запоріжжя, 1999.-С. 114-120.

Здобувач виконав експериментальні дослідження алгоритмів оптимізації при розробці комп’ютерно-інтегрованих систем.

5. Lisovichenko O. I., Rozansky O. A., senior students; Yampolsky L. S., prof. The distributing workflows based on deadlock avoidance control for flexible robotised systems // Оптимизация производственных процессов: Сборник науч. трудов/ Редкол. В.Я. Копп и др.; СевГТУ.-Севастополь, №1, 1999 г.-с. 69-74.

Здобувач виконав експериментальні дослідження методу перевірки системи на функціональність.

6. ямпольский Л.С., Лавров А.А., лисовиченко О.И., Сигал А.Л. Проблема автоматизации моделирования и управления в гибких гетерогенных распределенных сборочных системах // Міжвідомчий науково-технічний збірник “Адаптивні системи автоматичного управління”.-Дніпропетровськ: ДНВП Системні технології, 1999.-Вип. 2 (22).- С. 53-73.

Здобувач провів аналіз і експериментальні дослідження методу перевірки системи на функціональність.

7. Шпит О.С., ямпольский Л.С., лисовиченко О.И. Інтелектуалізовані сіткові моделі технологічних процесів у фармацевтиці // Український міжвідомчий науково-технічний збірник “Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні“.-2000.-№ 35.-Державний університет “Львівська політехніка.-С. 36-42.

Здобувач побудував модель лінії упаковування ліків у пляшки.

8. Yampolsky L. S., Banashk Zb., Lisovichenko O. I., Ostapchenko K.B. Towards distributed control of manufacturing systems // Вестник СевГТУ. Вып. 27: Автоматизация процессов и управление: Сб. науч. тр. / СевГТУ-Севастополь, 2000.-С. 80-87.

Здобувачем запропоновано формальний опис методу перевірки функціональністі системи на безтупіковість.

9. Лісовиченко О.І., Ямпольський Л.С. Семантично-узгоджене середовище гиперпросторових моделей складальних комп’ютерно-інтегрованих систем // Міжвідомчий науково-технічний збірник “Адаптивні системи автоматичного управління”.-Дніпропетровськ: ДНВП Системні технології, 2000-Вип. 3’(23).- С.137-147.

Здобувачем запропонована структура семантично-узгодженого середовища.

10. Лисовиченко О.И., Костюк В.И., Лавров А.А., Ямпольский Л.С. Интегрированная семантически согласованная среда гиперпространственного моделирования гибких компьютеризированных производственных // Автоматизація виробничих процесів.-2001р.-№ 2(13).- С.86-100

Здобувач виконав експериментальні дослідження моделі з використанням семантично узгоджених процесів.

11. Банашак З.А., Лісовиченко О.І., Ткач Г.М., Ямпольський Л.С. Реалізація концепції розподіленого керування з самосинхронізацією потоків транспортних засобів ГВС // Міжвідомчий науково-технічний збірник “Адаптивні системи автоматичного управління”.-Дніпропетровськ: ДНВП Системні технології, 2001-Вип. 4’(24).- С.88-108.

Здобувач побудував модель системи розподіленого керування з самосинхронізацією потоків транспортних засобів ГВС.

12. Блажко О.В., Борисюк В.В., Гілязов А.А., Птічнікова А.С., Лісовиченко О.І. Концептуальний підхід до розробки інтегрованого об’єктно-орієнтованого середовища для моделювання ГВС // Наковий вісник Інституту економіки та нових технологій ім. Ю.І. Кравченка “Нові технології”.-Кременчук: 2003-Вип.1’(2).- С.81-85.

Здобувачем запропоновано формальний опис концепції об’єктно-орієнтованого середовища для моделювання ГВС.

13. Блажко О.В., Лісовиченко О.І.Пуховський Є.С.Ямпольський Л.С. Моделювання процесів взаємодії компонентів комп`ютерно-інтегрованих систем із застосуванням апарату процесних алгебр // Міжвідомчий науково-технічний збірник “Адаптивні системи автоматичного управління”.-Дніпропетровськ: ДНВП Системні технології, 2003-Вип. 6’(26).- С. 9-28.

Здобувачем побудувано структурну модель інформаційної взаємодії компонентів в системі.

14. Птічнікова А.С., Лісовиченко О.І., Ямпольський Л.С. Дослідження нештатних ситуацій у гнучких комп’ютеризованих виробничих системах з агрегатними станами // Вісник ЖІТУ, Житомир:ЖІТУ, 2003. № 3(27).-С.173-183.

Здобувачем побудувано структурну модель інформаційної взаємодії компонентів в системі при виникненні нештатних ситуацій у гнучких комп’ютеризованих виробничих системах.

15. Лисовиченко О.И.Остапченко К.Б., Пуховский Е.С., Ямпольский Л.С. Моделирование процессов в дискретно-событийных системах иерархическими распределенными во времени сетями Петри // Міжвідомчий науково-технічний збірник “Адаптивні системи автоматичного управління”: ДНВП Системні технології, 2004-№ 7’(27).- С.26-38

Здобувачем побудовано компоненту генерації дискретно-подійних процесів.

16. Ямпольский Л.С.Ланкин Ю.Н.Лисовиченко О.И. Реализация моделирования дискретно-событийных систем иерархическими распределёнными во времени сетями Петри // Міжвідомчий науково-технічний збірник “Адаптивні системи автоматичного управління”.-Дніпропетровськ: ДНВП Системні технології, 2005-Вип. 8’(28).- С.34 - 48.

Здобувачем побудовано концептуальну модель системи з дискретно-подійними процесами.

17. Лисовиченко О.И.Лавров А.А. Подход к созданию объектно-ориентированной среды моделирования производственных систем // Міжвідомчий науково-технічний збірник “Адаптивні системи автоматичного управління”.-Дніпропетровськ: ДНВП Системні технології, 2006-Вип. 9’(29).- С. 70 - 83.

Здобувачем запропоновано формальний опис структури об’єктно-орієнтованого середовища моделювання процесів в гнучких виробничих системах.

18. Ямпольский Л.С., Лавров А.А., Пуховский Е.С. Алгоритм синтеза модели ГПС в объектно-ориентированной среде моделирования // Адаптивные системы автоматического управления. Региональный межвузовский сборник научных трудов.-Вып. 10(30).-Днепропетровск, 2007.-С.38-56.

Здобувачем запропоновано формальний опис алгоритму створення моделі гнучкої виробничої системи.

19. Сігал О.Л., Лісовиченко О.І., Ямпольський Л.С. Функціонально-еквівалентні структурні перетворення складних систем // труды филиала мгту им. Н.Э. Баумана в г. Калуге. Специальный выпуск: Материалы международн. Науч.-техн. Конф. “Приборостроение-99”, г.Ялта, 20-25 сентября 1999 г.-С. 159-163.

Здобувачем запропоновано формальний опис методу функціональних перетворень складних систем.

20. Lisovichenko O.I., Yampolsky L.S., Tkach M.M., Ostapchenko K.B., Gergi D.I. About one aproache to simulation of heterogeneous distributed system //труды филиала мгту им. Н.Э. Баумана в г. Калуге. Специальный выпуск: Материалы международн. Науч.-техн. Конф. “Приборостроение-99”, г.Ялта, 20-25 сентября 1999 г.-С. 199-204.

Здобувач виконав експериментальні дослідження методів моделювання гетерогенних розподілених систем.

21. лисовиченко О.И., ямпольский Л.С., Герги Д.И., остапченко К.Б., Ткач М.М. Гиперпространственная семантика процессов в сложных агрегатированных системах // труды филиала мгту им. Н.Э. Баумана в г. Калуге. Специальный выпуск: Материалы международн. Науч.-техн. Конф. “Приборостроение-2000”.-С. 411-416.

Здобувачем запропоновано формальний опис процесів в складних гетерогенних системах.

22. Ямпольский Леонид, Лавров Александр, Дубина Денис, Лисовиченко Олег, Швачко Вадим Семантическое согласование описания процессов гибких производственных систем при композиционном моделировании // TECHNIKA I TECHNOLOGIA MONTAЇU MASZYN IV Miкdzynarodowa Konferencja Naukowo-Technizna 22-25.05.2001 r. Pzeszуw – Bystre Specjalny Dodatec do Kwartalnika Naukowo-Technicznego TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAЇU.- nr 2(32) 2001.- pp. 61-65

Здобувачем зроблено формальний опис моделі з використанням семантично узгоджених процесів.

23. Банашак З., Лісовиченко О.І., Гергі Д.І., Ямпольський Л.С. Моделювання розподіленого управління перепускними спроможностями циклічних виробничих систем // труды филиала мгту им. Н.Э. Баумана в г. Калуге. Специальный выпуск: Материалы международн. Науч.-техн. Конф. “Приборостроение-2001”, п. Симеиз, 17-21 сентября 2001г.-С. 158-163.

Здобувачем запропоновано формальний опис методу розподіленого управління перепускними спроможностями в складних системах.

24. Лисовиченко О.И., Остапченко К.Б., Ямпольский Л.С. Инструментальные средства семантически-согласованной среды гиперпространственного моделирования компьютерно-интегрированных систем // автоматизация: проблемы, идеи, решения: Материалы междунар. науч.-техн. конф., 20-24 мая 2002г.-Севастополь: Изд-во СевГТУ, 2002.-С. 101-104.

Здобувачем запропонована структура методів формального опису семантично-узгодженого середовища.

АНОТАЦІЯ

Лісовиченко О.І. Розробка об’єктно-орієнтованого середовища моделювання матеріальних потоків гнучкої виробничої системи. – Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.13.20 – Гнучкі виробничі системи. – Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007.

Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності моделювання матеріальних потоків гнучких виробничих систем.

Проведено аналіз сучасних методів і засобів формального відображення властивостей процесів функціонування ГВС, на підставі якого зроблений висновок про актуальність розробки алгоритму проектування моделей, що передбачає використання базової компонувальної структури, в складі якої є набори класів, що складаються з об'єктів й об'єднуючих їх відносин. Даний підхід дозволяє уніфікувати проектні рішення в рамках систем певного класу, установити раціональний порядок їхнього прийняття й починати проектування з деякого вихідного "каркаса", що задовольняє початковим вимогам системи.

Розроблено структуру й принципи реалізації діалогового об‘єктно-орієнтованого програмного комплексу, призначеного для автоматизації рішення завдань синтезу/аналізу матеріальних потоків гнучких виробничих систем й їхніх елементів. Істотними особливостями комплексу є наявність блоку компонувальних структур і відповідних їм аналітичних моделей. Використано діалоговий режим на базі підсистеми когнітивних функцій спілкування з кінцевим користувачем.

Ключові слова: гнучкі виробничі система, дискретно-подійна система, об‘єктно-орієнтоване середовище, об'єкт, технологія системного проектування, математична модель, інформаційне узгодження.

АННОТАЦИЯ

Лисовиченко О.И. Разработка объектнo-ориентированной среды моделирования материальных потоков в гибкой производственной системе.– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.20 – Гибкие производственные системы. – Национальный технический университет Украины „Киевский политехнический институт”, Киев, 2007.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности моделирования материальных потоков гибких производственных систем.

Проведен анализ современных методов и средств формального отображения свойств процессов функционирования ГПС, на основании которого сделан вывод об актуальности разработки алгоритма проектирования моделей, который предусматривает использование базовой компоновочной стуктуры. Данный подход позволяет унифицировать проектные решения в рамках систем определенного класса, установить рациональный порядок их принятия и начинать проектирование с некоторого исходного "каркаса", удовлетворяющего начальным требованиям системы. Для этого необходима концептуальная модель проекта, которая выстраивается путем формализации характерных для систем определенного класса содержательных понятий и связывания их набором отношений в единое целое. Такая формализация базируется на результатах анализа ряда подобных систем, в ходе которого определяются характерные общие свойства и понятия последних. С этой точки зрения алгоритм и базовая структура являются средством как компактного представления знаний, так объективного проектирования модели ГПС и создания целевой функции требуемых решения задач определенного класса.

Выполнен обзор практики использования уже разработанных специализированных пакетов, в частности, позволяющих пользователю самостоятельно конструировать и добавлять новые элементарные блоки, используя входной язык пакета - Model Vision Studium, Anylogic, eM-Plant, Dymola, Sim Station, либо обращаться к низкоуровневым процедурным языкам - Simulink, Mat Lab и т.п. По результатам обзора были определены недостатки существующих пакетов моделирования и определены требования, предъявляемые к системам моделирования событийно - управляемых многокомпонентных иерархических моделях переменной структуры, построенных из блоков с переменными типа “вход”, “выход”, “состояние”, “контакт”.

Разработаны структура и принципы реализации диалогового объектно-ориентированного программного комплекса, предназначенного для автоматизации решения задач синтеза/анализа материальных потоков гибких производственных систем и их элементов. Существенными особенностями комплекса являются наличие блока компоновочных структур и соответствующих им аналитических моделей. Использован диалоговый режим на базе подсистемы когнитивных функций общения с конечным пользователем.

Ключевые слова: гибкая производственная система, дискретно-событийная система, объектно-ориентированная среда, объект, технология системного проектирования, математическая модель, информационное согласование.

SUMMARIES

Lisovichenko O.I.. Developing an object-oriented environment for modelling material flows in flexible manufacturing systems- The Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a specialty 05.13.20 – Flexible industrial systems. – The national technical university of Ukraine “KPI”, Kiev, 2007.

Dissertation is devoted the questions of increase of efficiency of design of financial streams of the flexible manufacturing system.

The analysis of modern methods and formal drawing of properties of processes of functioning of FMS, on the basis of which a conclusion is done about actuality of development of algorithm of planning of models, tools is conducted, that would foresee drawing on base structured set, in composition of which there are sets of classes which consist of objects and uniting their relations. This approach allows to unify the decisions of projects within the framework of the systems of certain class, to set the rational order of their acceptance and begin planning from some weekend of "framework" which satisfies the initial requirements of the system. The conceptual model of project which is built by formalization of characteristic for