Система автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса на основе структурного моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, доктор технических наук Гурьев, Александр Тимофеевич

• Гурьев, Александр Тимофеевич
• доктор технических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор технических наук Гурьев, Александр Тимофеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА И ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ

1.1. Анализ состояния лесопромышленного комплекса

1.2. Анализ исследований в области моделирования интегрированных наукоёмких производств и поддержки жизненного цикла продукции

1.3. Анализ исследований в области автоматизации производительных систем и интеллектуальной поддержки принятия решений

1.3.1.Общая характеристика методов и средств моделирования деятельности предприятий 31 /

1.3.2.Характеристика средств моделирования деятельности предприятий и производственных систем

1.3.3. Анализ существующих подходов, используемых при создании, эксплуатации и развития систем автоматизации проектно-производственной деятельности в машиностроении 46 I i. »

1.4. Основные проблемы и пути повышения эффективности лесопромышленного комплекса :

1.5. Выводы, цель и задачи исследования ■

ГЛАВА 2. СТРУКТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЕКТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА Т57 к

2.1. Представление метасистемы лесопромышленного комплекса, составляющих систем и межсистемных связей ' 57 1 ( >

2.2. Методы и средства концептуального моделирования метасистемы лесопромышленного комплекса 5 59 г

2.2.1. Описание подходов к структурированию систем

2.2.1.1. Описание предметной области

2.2.1.2. Статические модели систем

2.2.1.3. Динамические модели систем

2.2.1.4. Пути повышения эффективности систем

2.2.2. Разработка концептуальной модели структурирования объектов и процессов

2.2.2.1. Технология структурного моделирования

2.2.2.2. Обзор типовых структурных моделей

2.2.2.3. Концептуальная модель структурирования систем

2.3. Концептуальная модель метасистемы лесопромышленного комплекса

2.4. Моделирование процесса проектирования метасистемы лесопромышленного комплекса

2.5. Выводы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕТАСИСТЕМЫ ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА

3.1. Структура системы лесного хозяйства

3.2. Структура лесных насаждений

3.3. Разработка классификации свойств лесных насаждений

3.4. Разработка классификация свойств технологических машин лесопромышленного комплекса

3.5. Структурное моделирование лесозаготовительных и лесообрабатывающих процессов

3.5.1. Технология лесозаготовки

3.5.1.1.Современные тенденции технологических процессов лесозаготовок

3.5.1.2.Системы машин для заготовки сортиментов

3.5.1.3. Системы машин для заготовки хлыстов

3.5.2. Разработка структурной модели лесозаготовительного процесса

3.5.2.1. Функциональная модель лесозаготовительного процесса

3.5.2.2. Структурная модель лесозаготовительного процесса

3.5.3. Постановка задачи для реализации

3.5.4. Лесозаготовка хлыстами

3.5.5. Лесозаготовка сортиментами

3.5.6. Структурирование лесообрабатывающего процесса

3.6. Разработка алгоритма подбора систем лесозаготовительных машин

3.7. Выводы

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕТАСИСТЕМЫ ЛЕСНОГО

МАШИНОСТРОЕНИЯ

4.1. Структура метасистемы лесного машиностроения

4.2. Структурное моделирование машин лесопромышленного комплекса

4.2.1. Структурная модель технологической машины лесопромышленного комплекса

4.2.2. Схемы членения конструкции технологической машины

4.2.3. Моделирование технологической машины лесопромышленного комплекса с учетом процессов технического обслуживания и ремонта

4.2.4. Взаимосвязи этапов жизненного цикла технологической машины лесопромышленного комплекса

4.3. Структурное моделирование процесса проектирования и производства машин лесопромышленного комплекса

4.3.1. Обобщённая математическая модель процессов создания и эксплуатации технологической машины

4.3.2. Структурное моделирование процесса конструирования технологической машины

4.3.3. Структурное моделирование процесса технологической подготовки производства технологической машины

4.3.4. Структурная модель процесса эксплуатации технологической машины

4.3.5. Моделирование технической подготовки производства технологической машины с учётом эксплуатации. Формализация воздействий на технологическую машину

4.4. Структурное моделирование технической эксплуатации машин лесопромышленного комплекса

4.4.1. Эксплуатация технологических машин лесопромышленного комплекса

4.4.2. Формализация процесса функционирования системы контроля работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса

4.4.3. Математическая модель системы контроля работоспособности технологической машины лесопромышленного комплекса

4.4.4. Структура системы восстановления работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса

4.4.5. Анализ процессов восстановления работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса

4.4.6. Методы восстановления работоспособного состояния техники лесопромышленного комплекса

4.4.7. Формализация процесса функционирования системы восстановления работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса

4.4.8. Подсистема технического обслуживания

4.4.9. Подсистема ремонта

4.4.10 Математическая модель системы восстановления работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса

4.5. Выводы

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

5.1. Система информационного обеспечения задач лесопромышленного комплекса

5.2. Разработка методики создания распределенной базы'данных лесных насаждений

5.3. Разработка методики системы актуализации базы данных таксационной и картографической информации

5.4. Разработка методики автоматизированной обработки данных дистанционного зондирования лесных насаждений 206 }

5.5 Выводы

ГЛАВА 6. ФОРМИРОВАНИЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДЫ И ПРИМЕНЕНИЕ ЕЁ К ЗАДАЧАМ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

6.1. Формирование информационной среды для управления лесопромышленным комплексом

6.1.1. Разработка системы управления лесными насаждениями

6.1.2. Организация системы охраны лесов от пожаров на основе пространственных данных

6.1.2.1. Проектирование и планирование противопожарных мероприятий на основе ИС «АрхлесГИС»

6.1.2.2. Патрулирование и обнаружение загораний с использованием средств ИС «АрхлесГИС»

6.1.2.3.Информационная поддержка управления тушением лесных пожаров

6.1.2.4. Оценка последствий лесных пожаров и проектирование реабилитационных мероприятий

6.1.3. Проектирование и эксплуатация сети лесовозных дорог с учетом природных факторов

6.2. Разработка системы информационной поддержки задач лесопользования

6.3. Моделирование работы комплекса лесных машин

6.4. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса на основе структурного моделирования»

Экономика страны находится под влиянием рыночных отношений, внутренних и внешних интеграционных процессов. Это, зачастую, приводит к изменению производственных и экономических связей хозяйствующих субъектов, вызванных укрупнением предприятий. Такие объединения, как холдинги, региональные кластеры, промышленные комплексы стимулируют развитие территорий, восстанавливают и укрепляют производственные связи на основе современных информационных и телекоммуникационных технологий.

Примером подобных объединений могут быть региональные нефтегазовые, горнодобывающие, лесопромышленные и другие комплексы. Они представляют собой сложные, территориально распределённые структуры, в которых для организации эффективного управления приоритетной задачей становится учёт материальных связей между отдельными производствами. Инновационное развитие производства требует непрерывного совершенствования применяемых технологических процессов и создания новой конкурентоспособной продукции при использовании ИПИ-технологии.

Информацию о множестве объектов и процессов промышленного комплекса, используемых на всех этапах жизненного цикла выпускаемой продукции, необходимо представлять в едином информационном пространстве. .

Большую проблему представляет исследование лесопромышленного комплекса, в который входят разнородные по физической природе объекты: биологические, технические, организационные, информационные. Производства, сосредоточенные в этом комплексе: машиностроительное, лесохозяйственное, лесозаготовительное, лесообрабатывающее, лесоперерабатывающее ориентированы на лесные ресурсы. Продукцией отдельных производств могут быть: лес, пиловочник, пиломатериалы, щепа, целлюлоза, бумага, машины и оборудование и др. Лес, как вид возобновляемых природных ресурсов, является продуктом природы естественного или искусственного воспроизводства лесного хозяйства. Для управления лесными ресурсами при решении задач лесопромышленного комплекса необходима информационная система управления лесами, которая должна базироваться на ГИС-технологиях, методах обработки данных дистанционного зондирования земли и полевых исследований.

Конкурентоспособность лесопромышленного комплекса достигается за счёт синергетического эффекта от взаимодействия объектов, связанных в единую технологическую цепочку по потребляемым ресурсам, производимой продукции, информационным и транспортным связям. Лесопромышленный комплекс следует рассматривать как метасистему с учётом связей взаимодействующих производств.

Указанные обстоятельства требуют разработки новых моделей и методов представления процессов функционирования и развития лесопромышленного комплекса и обуславливают необходимость проведения научных исследований в этом направлении.

Объектом исследования являются процессы интегрированной информационной поддержки функционирования и развития лесопромышленного комплекса в составе систем лесное хозяйство, г V лесозаготовка, лесообработка, лесопереработка, лесное машиностроение.

Для повышения эффективности функционирования и модернизации лесопромышленного комплекса за счет обеспечения непрерывной информационной поддержки принятия решений на основе создания системы автоматизации его проектно-производственной среды необходимо выполнить следующие задачи исследования: - исследование структуры метасистемы лесопромышленного комплекса; - разработка теоретических положений для создания системы автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса; - разработка методологии интегрированной информационной поддержки принятия решений для этапов и процессов жизненного цикла продукции лесопромышленного комплекса; - разработка программных комплексов автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса.

Теоретические исследования выполнены с применением основных положений системного анализа, методов моделирования и проектирования сложных систем, теории множеств, теории графов формальной и математической логики, теории полихроматических множеств и графов, имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования. Функциональные и информационные модели процессов разработаны на основе универсальных САБЕ-средств и ИПИ-технологий.

Научная новизна диссертационной работы заключается в: - разработке модели метасистемы лесопромышленного комплекса, представляющую собой иерархическую структуру производительных систем, входящих в лесопромышленный комплекс; - разработке метода структурного моделирования, позволяющего формировать комплекс структурных моделей и связей между ними с учетом задач функционирования и развития лесопромышленного комплекса; -разработке комплекса методов информационной интеграции производительных систем лесопромышленного комплекса; - разработке методов и алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия решений в условиях автоматизированной проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса; ^разработке методологии создания системы автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса, обеспечивающей непрерывную информационную поддержку его функционирования и модернизации.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для создания интегрированной среды информационной поддержки принятия решений в процессах функционирования и модернизации предприятий лесопромышленного комплекса, включающей: - методику формирования структурных моделей лесопромышленного комплекса; - функционально-информационное обеспечение интегрированной информационной поддержки продукции лесопромышленного комплекса на всех этапах жизненного цикла; -научно обоснованные рекомендации по созданию распределённой интеллектуальной информационной системы на основе использования ГИС-технологий и мультиагентной среды; - методику непрерывной актуализации распределённых баз данных о лесных ресурсах на основе интеграции наземных исследований, данных дистанционного зондирования земли и интеллектуальных методов; - совокупность методик структуризации информации процессов лесного комплекса с использованием понятийного аппарата формальной логики для создания конструкторско-технологических баз данных; - инструментальный программный комплекс поддержки принятия решений при проектировании и эксплуатации продукции лесопромышленного комплекса; - комплекс программ имитационного моделирования процессов жизненного цикла продукции, интегрированный с распределённой базой данных лесных ресурсов; - информационную базу по эффективным конструкторско-технологическим и организационным решениям, реализованным в виде инженерных приложений.

Полученные результаты носят межотраслевой характер и могут быть использованы в сходных по структуре промышленных комплексах.

Результаты работы использованы для создания автоматизированной проектно-производственной среды промышленных предприятий лесного | комплекса северо-запада России.

Результаты исследований по созданию системы интегрированной информационной поддержки жизненного цикла машиностроительных * изделий используются ОАО «Архангельский механический завод», ОАО «Соломбальский машиностроительный завод», ОАО «Онежский тракторный ь завод».

Результаты исследований по интеллектуальной обработке данных дистанционного зондирования Земли, структурированию и актуализации баз данных о лесных ресурсах приняты к внедрению ИТЦ «СканЭкс».

Разработанная ГИС-система лесных ресурсов проходит апробацию на предприятиях лесного хозяйства и лесопользования, в Агентстве лесного хозяйства по Архангельской области и НАО.

Результаты исследований по интеграции процессов деревообработки и деревопереработки используются на деревообрабатывающих предприятиях региона, в том числе УК «Соломбалалес», ОАО «Лесозавод №3».

Разработанные методы информационной поддержки и моделирования процессов реализованы в виде информационно-программных комплексов и средств, а также компонентов экспертной системы, на которые получены свидетельства о регистрации программ.

Учебный вариант разработанного программного обеспечения используется в Северном (Арктическом) федеральном университете при подготовке научных и инженерных кадров для лесопромышленного комплекса.

Основные научные и практические результаты работы доложены и обсуждены на тридцати пяти конференциях и семинарах, в т.ч.: Международной конференции «Земля из космоса - наиболее эффективные решения» (Москва, 2005, 2009, 2011), Четвертой Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве» (Москва, 2006); Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика (РИ)» (Санкт-Петербург, 2004, 2006, 2010);Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии (НИТ-2006)»; Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки и образования как фактор устойчивого развития современной России: региональный, федеральный и международный аспекты» (Архангельск, 2006); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и промышленности» (Соловецкие острова - Архангельск, 2005, 2006); Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2006); Санкт-Петербургской международной научно-практической конференции «Проблемы подготовки кадров в сфере инфокоммуникационных технологий» (Санкт-Петербург, 2005); Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИЛИ (САЬ8)-технологии» (Оренбург, 2005); Международной научно-технической конференции «Наука и образование» (Мурманск, 2005); Всероссийского совещания-семинара с международным участием «Дистанционные методы в лесоустройстве и учете лесов, приборы и технологии» (Красноярск, 2005); Международной конференции «Интеграция САПР и систем информационной поддержки изделий» (Соловецкие острова, 2004); Международной конференции «Качество и ИЛИ (САЬЗ)-технологии»

Судак, 2004); Научно-технического форума с международным участием «Высокие технологии 2004» (Ижевск, 2004); Международной научно-технической конференции «Современная наука и образование в решении проблем экономики европейского севера» (Архангельск, 2004); Международной конференции «Информационные технологии в управлении жизненным циклом изделий» (Санкт-Петербург, 2003); Третьей Санкт-Петербургской межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2003)» (Санкт-Петербург, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Теория, проектирование и методы расчета лесных и деревообрабатывающих машин» (Москва, 1996), расширенном заседании кафедры «Технологического проектирования» МГТУ «Станкин».

Основные положения диссертации отражены в 87 публикациях, в том числе в 18 статьях в периодических научных и научно-технических журналах, в которых ВАК рекомендует публикацию основных результатов докторской диссертации; 2 монографиях, 5 учебных пособиях, 8 свидетельствах Роспатента на программы для ЭВМ и 45 статьях в сборниках материалов международных, всероссийских научных конференций.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Гурьев, Александр Тимофеевич

6.4 Выводы

1. Разработана система управления лесными насаждениями (ГИС система) на основе открытых инструментальных средств с интуитивно понятным интерфейсом, легко адаптируемая под конкретного пользователя;

2. На основе системы управления лесными насаждениями разработаны структуры специализированных модулей, которые реализуются на предприятиях лесного комплекса региона: система управления лесными ресурсами, система охраны лесов от пожаров на основе пространственных данных, проектирование и эксплуатация сети лесовозных дорог;

3. Разработана информационная система прогнозирования работ систем машин на основе имитационных моделей в зависимости от условий эксплуатации.