6 - 2009

Разработка программного обеспечения PLM-системы на основе объектно-ориентированных методов CASE-технологий

Константин Кульга (Доцент кафедры «Мехатронные станочные системы» Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ))

Уже в 80-е годы XX века пришло осознание того, что информационные технологии (ИТ) любой страны по стоимости соизмеримы, а в ряде случаев и превосходят стоимость природных, в том числе энергетических, ресурсов. По оценке компании Gartner Group (США) [6], ИТ в настоящее время превратились из вспомогательного ресурса, дающего дополнительные преимущества для бизнеса, в основной, необходимый для развития экономики. Вследствие развития мирового рынка, на котором сейчас можно получить практически мгновенный доступ к информации о любом изделии, наблюдается резкий рост конкуренции между предприятиями с дискретным характером производства. С появлением электронно-вычислительных машин (ЭВМ) начали создаваться и широко внедрялись разнообразные средства и автоматизированные информационные системы (АИС) для выпуска бумажной технической документации (БТД).

Однако к началу XXI века стало ясно, что все эти достаточно дорогие средства и АИС не оправдывают возлагаемых на них надежд. Дело в том, что системы CAD/CAM/PDM/FRP/MRP/MES (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing/Product Data Management/Finance Requirements Planning/Material Requirements Planning/Management Execution System), ориентированные на локальную автоматизацию и формирование традиционных баз данных (БД), не решают проблему создания единого информационного пространства (ЕИП), предназначенного для синхронизированного обмена данными между различными участниками жизненного цикла изделий (ЖЦИ).

На основании обзора реализованных проектов АИС выявлено, что контуры системы ERP (Enterprise Resource Planning), соответствующие классификации APICS (American Production and Inventory Control Society [7]), не обеспечивают решения задач технической подготовки производства и оперативного управления производством, ограничиваясь стратегическим планированием, что предопределяет существование значительного функционального и информационного разрыва между контурами ERP-системы и технической подготовки и оперативного управления дискретным производством [1-3].

Разные АИС имеют различные организации и структуры исходных и результирующих данных. При переносе данных из одной АИС в другую требуются большие затраты труда и времени для синхронизации данных, что приводит к потере актуальности данных и многочисленным ошибкам.

Более того, выяснилось, что БТД и способы представления информации в ней ограничивают возможности применения новых ИТ. Например,
3D-геометрическая модель изделия вообще не может быть адекватно представлена в БТД. В то же время по мере усложнения изделий происходит резкий рост объемов БТД (тысячами листов). При использовании БТД возникают значительные трудности в случае поиска необходимых сведений, внесении изменений в конструкцию и технологию изготовления изделий. В результате резко снижается эффективность всех видов деятельности, связанной с технической подготовкой и оперативным управлением производством, эксплуатацией, обслуживанием и ремонтом сложных наукоемких изделий.

Основой предлагаемой концепции системы PLM (Product Lifecycle Management) является актуальная задача создания ЕИП и интеграции всех стадий ЖЦИ. Развитие этой задачи предполагает отказ от БТД, в которой осуществляется традиционный документооборот, и переход к АИС, поддерживающей все стадии ЖЦИ. ЕИП предполагает, что PLM-система оперирует не традиционной БТД (или ее электронным отображением), а информационно-математической моделью (ИММ), описывающей структуру и состав изделия, бизнес-процессы (БП) технической подготовки и оперативного управления дискретным производством, методы интеграции с учетно-хозяйственной АИС или ERP-системой [1-3].

Для разработки программно-математического обеспечения (ПМО) ИММ, реализующего предлагаемую концепцию PLM-системы, необходимо использовать новые теоретические и методологические основы проектирования наукоемких АИС, позволяющие эффективно интегрировать в ЕИП этапы ЖЦИ, непосредственно влияющие на БП технической подготовки и оперативного управления дискретным производством [1, 4].

Для решения поставленной задачи необходимо [1, 4]:

  • реализовать технологию реинжиниринга БП технической подготовки и оперативного управления предприятия, отвечающих внутренним и внешним условиям и направленных на достижение поставленных предприятием целей;
  • обеспечить поддержку результатов реинжиниринга БП посредством разработки и эффективного внедрения ИТ, реализующих работу интегрированной АИС предприятия в ЕИП.

Для реализации технологии реинжиниринга БП предлагается следующая последовательность действий [4]:

1. Исследовать БП предприятия с дискретным характером производства.

2. Обосновать выбор платформы управления жизненным циклом приложения (Application Lifecycle Management, ALM)  — проекта АИС.

3. Разработать функциональную модель (ФМ) АИС, реализующую концепцию PLM-системы.

Исследование БП предприятия

Исследование БП предприятия и тенденций развития концепции PLM выявило взаимосвязь функций CAD/CAM/PDM/FRP/MRP/MES-систем [1-3].

Обоснование выбора платформы ALM проекта АИС

В настоящее время применяемые платформы ALM проекта АИС разделяются на два больших класса [5]:

  • тяжеловесные (RUP, MSF и др.);
  • легковесные (XP, Crystal Clear, FDD, Open Source и др.).

Исходя из анализа основных характеристик наиболее применяемых платформ ALM АИС, приведенных в работе [4], для реализации предлагаемой концепции PLM-системы предприятия принимается методология RUP (Rational Unified Process) [5].

Обоснование технологии создания проекта АИС концепции PLM

Основными преимуществами CASE-технологии по сравнению с традиционной технологией проектирования являются повышение качества создаваемого ПМО АИС за счет применения графических средств моделирования предметной области, автоматического контроля и генерации, снижение времени создания проекта, что позволяет на ранних стадиях проектирования получить прототип будущей АИС и оценить его.

Обоснование метода проектирования ФМ концепции PLM

В настоящее время в инструментальных средствах CASE-технологий применяются структурно-ориентированный (СО) и объектно-ориентированный (ОО) методы проектирования ФМ АИС.

Основой СО-метода CASE-технологии является идея структурного анализа и проектирования АИС. Она заключается в декомпозиции всей системы на некоторое множество иерархически подчиненных функций и представлении всей информации в виде графических нотаций. ФМ предлагаемой концепции PLM, разработанные с помощью СО-методов в виде IDEF-диаграмм, подробно рассмотрены в работе [1].

Структурная декомпозиция на основе ОО-методов отличается от СО-методов возможностью моделировать динамическое поведение АИС в зависимости от возникающих событий. В этом плане ФМ предметной области рассматривается как совокупность взаимодействующих во времени объектов. Конечным результатом процесса ОО-проектирования должно стать множество классов объектов с присоединенными методами обработки атрибутов. В связи с этим ОО ФМ последовательно разворачивается по направлению от модели общего представления функциональности АИС к модели динамического взаимодействия объектов, на основе которой могут быть сформированы классы объектов в интегрированной среде разработки ПМО.

В настоящее время для ОО-проектирования АИС широко используется унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language), который фактически является стандартом по ОО-технологиям [5]. Определяющей особенностью UML является то, что ФМ становятся основными артефактами дизайна ПМО, перемещая, таким образом, фокус с соответствующего кода ПМО. ФМ выступают в качестве диаграмм, из которых автоматизированные процессы извлекают исходный код программы и соответствующие модели.

Разработать ФМ АИС, реализующую концепцию PLM

Платформа ALM RUP предполагает реализацию нескольких основных этапов процесса проектирования и управления ФМ АИС.

Рис. 1. Диаграммы этапа бизнес-моделирования

Рис. 1. Диаграммы этапа бизнес-моделирования

Рис. 1. Диаграммы этапа бизнес-моделирования

Бизнес-моделирование

Основными задачами бизнес-моделирования (Business Modeling) ФМ концепции PLM-системы являются (рис. 1):

  • определение бизнес-целей предприятия — реализация концепции PLM-системы на предприятии предполагает реструктуризацию существующих бизнес-целей;
  • описание БП предприятия — выполнение данной задачи необходимо для формирования единого понимания концепции PLM-системы. ФМ БП проектируется как иерархия диаграмм. Например, пакет «4.Управление технической подготовкой производства» является ФМ БП 1-го уровня. На самом последнем уровне иерархии ФМ размещаются собственно БП и связанные с ними бизнес-роли, бизнес-цели;
  • установление требований со стороны предприятия. Одна из важнейших задач — определение функциональных и нефункциональных требований (requirements), которая заключается в сборе всевозможных пожеланий пользователей к проекту АИС;
  • определение бизнес-объектов концепции PLM (бизнес-работники, бизнес-роли, бизнес-сущности, классы).

Определение требований

Данный этап связан с реализацией функциональных и нефункциональных требований в ПМО АИС. Для реализации перехода от бизнес-моделирования к ПМО АИС необходимо в ФМ прецедентов (use case model) разработать следующие диаграммы (рис. 2):

  • пакетов (package diagram) — взаимосвязь групп и подгрупп требований;
  • прецедентов (use case diagram) — функции АИС при работе с сущностями и видов деятельности (activity diagram) — формы пользовательского интерфейса, последовательность реализации бизнес-логики и сущности;
  • динамического взаимодействия объектов каждого прецедента в виде графа (sequence diagram) и в табличной форме (collaboration diagram).

Рис. 2. Примеры диаграмм видов деятельности и кооперации

Рис. 2. Примеры диаграмм видов деятельности и кооперации

Рис. 2. Примеры диаграмм видов деятельности и кооперации

Анализ и проектирование

На этом этапе создается логическая и физическая модель данных (data model). Целью ее разработки является отображение собственно классов, которые реализуют функциональные и нефункциональные требования АИС.

Для разработки модели классов используется диаграмма классов
(class diagram). На первом уровне размещаются пакеты с классами подсистем, на втором — пакеты с классами каждого требования, а на самом последнем уровне — собственно классы, относящиеся к конкретному требованию.

Для наглядности представления связей диаграммы класса «Отдел главного конструктора» на ней указываются ссылки на подчиненные диаграммы, например «Типы данных» и «Управление правами доступа», как показано на рис. 3.

Рис. 3. Пример диаграммы классов

Рис. 3. Пример диаграммы классов

Реализация

Алгоритм реализации проекта АИС включает генерацию кодов программы классов объекта, программирование процедур методов классов объектов, наполнение БД. Генерация исходного кода классов объектов осуществляется на основе диаграмм классов ФМ АИС (см. рис. 3). Генерация шаблонов процедур методов классов объектов производится на основе диаграммы взаимодействия объектов. Программирование процедур методов классов объектов выполняется на основе шаблонов процедур методов классов объектов по спецификациям диаграмм деятельностей и состояний объектов. Предложенный алгоритм реализации осуществляется с помощью диаграммы компонентов (component diagram). Пример такой диаграммы приведен на рис. 4. С точки зрения реализации диаграммы компонентов ОО-моделирование АИС, как правило, используется в четырех случаях:

  • моделирование исходного кода — с помощью ОО-языка программирования исходный код создается в интегрированной среде разработки, которая сохраняет исходные тексты в файлах. Диаграммы компонентов применяются для моделирования управления конфигурированием этих файлов (компонентов);
  • моделирование исполняемых версий — полных и согласованных наборов артефактов, предоставляемых внутреннему или внешнему пользователю;
  • моделирование физической схемы БД, описывающей API-интерфейс для доступа к хранимой информации. Модель физической схемы БД представляет способы хранения этой информации в таблицах реляционной БД;
  • моделирование адаптивных функций АИС. Некоторые функции АИС являются статичными — их компоненты вызываются, принимают участие в выполнении определенных процедур, а затем закрываются. Другие функции АИС могут быть более динамичными — они включают компоненты, которые постоянно контролируют поведение АИС с целью выравнивания нагрузки и восстановления после сбоев (репликация данных).

Рис. 4. Главная форма PLM-системы Stalker

Рис. 4. Главная форма PLM-системы Stalker

Тестирование

Цель этапа — обнаружение, локализация и устранение дефектов в ПМО и данных. Для этого используется ФМ тестирования (test suite).

Развертывание

Цель данного этапа — моделирование АИС с точки зрения механизма доступа к данным, конфигурации узлов, где производится обработка информации, а также размещение компонентов на каждом узле. Моделирование осуществляется с помощью диаграммы развертывания (deployment diagram), которая предназначена для визуализации, специфицирования, документирования и управления АИС.

Разработанная ОО ФМ является основой для реализации базовых технологий представления и управления данными электронного состава изделия в PLM-системе Stalker (см. рис. 4) [1-4].

Заключение

Применение ОО-проектирования ФМ на основе методов CASE-технологий (технологии реинжиниринга БП) повышает эффективность разработки и внедрения ПМО концепции PLM-системы, включая интеграцию с учетно-хозяйственными АИС- и ERP-системами на машиностроительных предприятиях с дискретным характером производства.

 

Литература

4. Кульга К.С. Автоматизация технической подготовки и управления производством на основе PLM-системы/. М.: Машиностроение, 2008. С. 265.

5. Кульга К.С. Особенности внедрения на предприятиях и методы интеграции CAD/CAM/PDM/FRP/MRP/MES/PLM- и ERP-систем//САПР и графика. 2008. № 3. С. 91-94.

6. Кульга К.С. Автоматизация технической подготовки и управления дискретным производством на основе интеграции PLM- и ERP-системы//Материалы Международного форума ISICAD-2008 «PLM+ERP — информационная среда предприятия», Новосибирск, 2008 г.

7. Кульга К.С. Информационные технологии проектирования и эксплуатации мехатронного оборудования: Учеб. пос. Уфа: УГАТУ, 2008. 193 с.

8. Фаулер М., Скотт К. UML в кратком изложении: Применение стандартного языка объектного моделирования. М.: Мир, 1999.

9. http://www.gartner.com.

10. http://www.apics.org.

САПР и графика 6`2009