ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РЕШЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ
ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.

Г.Б.Евгенев, А.С.Кобелев, Б.В.Кузьмин, А.А.Крючков.

Актуальность использования интеллектуальных САПР в электротехнической промышленности.

В нынешнее кризисное время совершенно очевидно, что без автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства, автоматизированного управления ресурсами предприятия и производством в целом выжить предприятию в условиях острой конкуренции и ограниченном фонде заработной платы весьма сложно. Можно лишь напомнить известные слова: кто не думает об автоматизации производства, тот либо ничего не проектирует и не выпускает, либо безнадежно отстал от научно-технического прогресса.

В этой и, надеемся, последующих публикациях мы познакомим читателя-электротехника с довольно известной среди специалистов САПР и хорошо зарекомендовавшей в машиностроении, мебельном производстве, архитектуре и других областях инженерной деятельности интегрированной инструментальной системой автоматизированного проектирования "СПРУТ" (разработка компании СПРУТ-ТЕХНОЛОГИЯ").

Система СПРУТ представляет собой операционную среду с полным набором инструментальных средств для компьютеризации инженерной деятельности, начиная от создания конструкторских САПР и заканчивая глобальными многофункциональными системами комплексной автоматизации производства.

Первый шаг в созидании автоматизированного управления производством - внедрение конструкторского САПРа. Поэтому знакомство с возможностями системы "СПРУТ" мы начинаем с анализа: насколько эффективно упомянутая система может решить хорошо известную проблему реализации конструкторского САПРа на конкретном производстве. Конкретизируя вопрос, мы ограничимся спецификой тех предприятий, которые связаны с производством асинхронных электрических машин (ЭМ).

Нужна ли конструкторская САПР заводам-производителям электрических машин?

К настоящему времени процесс реструктуризации подотрасли электротехнической промышленности, занимающейся производством асинхронных двигателей (АД), в основном завершен. Среди многих установившихся новаций и экономических тенденций, имеющих прямое или опосредованное влияние на проблему САПР АД, назовем следующие:

• сокращение численности работающих на электротехнических заводах России в 1,5 - 3 раза;
• растущая конкуренция за рынки сбыта между ведущими заводами при продолжающемся экономическом кризисе;
• стремление заводов резко увеличить номенклатуру выпускаемых двигателей, в т.ч. освоить производство двигателей, выпускавшихся бывшими республиками СССР;
• появление договоров на разработку и изготовление небольших партий наукоемких двигателей (например, для спецтехники), которыми в период плановой экономики занимались исключительно НИИ;
• ужесточившиеся требования заказчиков к срокам выполнения таких договоров;
• резкое сокращение (практически на порядок) научно-технических кадров, работающих в отраслевых НИИ электромашиностроения;
• практически полная потеря связи с отраслевыми НИИ, находящимися на территории ближнего зарубежья (поскольку многие из них, прежде всего в республиках Закавказья, попросту прекратили свое существование как научные центры);
• усиление конструкторских отделов либо КБ заводов за счет перетока части высококвалифицированных кадров из НИИ при одновременном общем сокращении численности заводских конструкторов путем избавления от "балласта";
• наличие на крупных заводах немалого количества слабо используемой вычислительной техники.

В условиях жесткой конкуренции налицо стремление заводов-лидеров производить "все для всех с большей рентабельностью, чем у конкурента", либо, по меньшей мере, быть ведущим поставщиком в широком сегменте рынка АД. Осваиваются новые высоты вращения; новые модификации (малошумные, с повышенной надежностью, с повышенной точностью изготовления, со специальными электромеханическими характеристиками). Заводы, ранее выпускавшие двигатели общепромышленного назначения и их модификации, осваивают новые направления, выходящие за рамки понятия "модификация" с точки зрения количества изменений по сравнению с общепромышленной конструкцией: взрывозащищенные, крановые, рольганговые и т.д.

Итак, современная рыночная экономика требует быстрого, качественного, экономичного, выполняемого собственными силами проектирования, причем объем проектных работ существенно возрос. Уникальные решения, появляющиеся в процессе проектирования, нужно нормализовать, параметризовать, обобщать, формировать в виде баз данных и баз знаний для эффективного использования в технически сходных задачах. Возникает и проблема приобретения математического обеспечения, поддерживающего проектирование той или иной группы электрических машин (программы расчета однофазных АД, АД с фазным ротором, расчета динамических режимов АД для сложных режимов работы и т.д.), а также организации этого обеспечения на едином информационном поле. Все это говорит не просто о желательности, а о насущной необходимости САПР АД. На возражения оппонентов, что конструкторские работы на заводе занимают лишь малую толику времени по сравнению с организацией собственно производства АД, можно лишь ответить: а зачем ограничиваться внедрением только конструкторского САПРа?

Причины разрыва между теорией САПР ЭМ и использованием САПР ЭМ в производстве

Пропасть между мощными теоретическими исследованиями в области САПР ЭМ, проводившимися зарубежными и отечественными учеными все восьмидесятые годы и тем, что из наработанного реализовано на Российских заводах, можно описать простой сентенцией: теория вообще есть, а использования вообще (в смысле совсем) нет.

Можно назвать следующие причины, приведшие к столь плачевной ситуации.

1. Экономический кризис, наступивший как раз в период, когда логика работ в области САПР ЭМ подразумевала передачу наработок из академических лабораторий и НИИ в производство и их адаптацию в условиях конкретных предприятий.

2. Человеческий фактор: имеющиеся в конструкторских подразделениях кадры, с одной стороны, не обладают достаточными знаниями в области вычислительной техники, и с другой стороны не хотят вносить принципиальные изменения в организацию выполнения проектных работ. Не последнюю роль играет опасение потерять рабочее место, поскольку САПР часть рутинной ручной работы берет на себя.

3. Однако, самой существенной причиной, на наш взгляд, являлось отсутствие удобной объектно-ориентированной операционной среды, используя которую можно было бы соединить имеющиеся наработки в интегрированную САПР АД, использующую единую информационную платформу.

Этапы пpоектиpования АД с основным пеpечнем баз данных и баз знаний.

Пеpечень основных методик pасчета, используемых пpи пpоектиpовании АД.

Иными словами, первый столп САПР АД - объектно-ориентированное математическое обеспечение (концептуальные основы автоматического проектирования АД; методики всевозможных расчетов; наработки в области графической формализации узлов, деталей и элементов деталей АД; базы данных, необходимые в процессе проектирования и т.п.) был создан и ныне декларируется как самодостаточный. Исключение составляют, на первый взгляд, только слабые наработки в области параметризации узлов и деталей ЭМ.

Глобальная концепция проектирования АД с перечнем основных знаний, которые могут быть использованы при проектировании (программы расчета, базы данных, базы знаний) может иметь вид, представленный на рис. 1.

Второй же столп САПР - инструментальное и информационное компьютерное обеспечение (собственно ВТ с соответствующей периферией, операционная система, наличие мощных графичических редакторов, "объектно-дружелюбный" интерфейс и т.п.) - существенно отставал от первого. Лишь в последнее время с появлением таких программных продуктов, как AutoCAD R14, Autodesk Mеchanical Desktoр, Рro/ENGINEER положение начало несколько меняться. Насколько эффективно - об этом будет сказано ниже.

Именно поэтому, как правило, арсенал математического обеспечения конструкторских подразделений электротехнических заводов и НИИ представляет собой разрозненные методики расчета ЭМ, написанные в разное время, под разные ЭВМ, на разных версиях разных, ныне устаревших языков программирования. Они не имеют надлежащего сервиса, трудно дополняемы и модифицируемы, не охвачены единым методологическим подходом. Архивы предприятий представляют собой сотни полурастрепанных папок с комплектами чертежей, по которым удобно изучать историю завода, но трудно использовать в повседневном проектировании.

В заключение этого раздела заметим, что самодостаточность собственно математического обеспечения САПР АД вне компьютерной инструментальной среды иллюзорна, поскольку операционная среда, с одной стороны, неизбежно налагает свои ограничения и диктует свои правила. В дальнейшем будет показано, что система "СПРУТ" при проектировании физического объекта, в нашем случае АД, требует его представления в виде особой метамодели, удобной для процедур анализа и синтеза в соответствующих подсистемах "СПРУТ". Построение метамодели предваряется представлением физического объекта в виде объекта-функции, рис. 2. Объект-функция и метамодель физического объекта являются фундаментом концептуального проектирования в системе "СПРУТ". С другой стороны, система будет подсказывать свои решения, особенно при активном, интеллектуальном интерфейсе. К примеру, реализованная как элемент САПР интеллектная последовательность поверочных электромагнитных расчетов АД в интерактивном режиме позволит в большинстве случаев отказаться от громоздких оптимизационных расчетов (тех самых задач, с которых, собственно, и начинался САПР ЭМ).

Вывод прост: с технической точки зрения внедрение САПР АД на электротехнических предприятиях связано с изысканием и приобретением интегральной операционной среды, способной органично впитать, упорядочить, дополнить и интерпретировать "под себя" имеющееся математическое обеспечение САПР АД. При этом помимо уже существующего математического обеспечения требуется разработка концептуального проектирования в конкретной САПР.

Недостатки существующих инженерных САПР

Прежде всего отметим, что нам неизвестно ни одной отечественной объектно-ориентированной интегрирующей инструментальной компьютерной системы, созданной специально для автоматизированного проектирования электрических машин, имеющей основной набор соответствующих подсистем (автоматизированный анализ ТУ, интеллектная интерактивная система различных расчетов, автоматизированная подготовка КД с параметризацией основных узлов и деталей, твердотельное моделирование с проверкой АД на собираемость, подсистема технолога-электромашиностроителя и т.д.), и применяемой на заводах подотрасли. По крайней мере, ведущие электротехнические и компьютерные журналы о таковых не сообщают.

Но, быть может, на рынке САПР-продуктов существует универсальная инженерная САПР, содержащая, среди прочей информации, основные знания о проектировании электрических машин и способная послужить инструментом интеллектуального проектирования АД? Ответ неоптимистичен. Существующие универсальные инженерные "САПР", настойчиво предлагаемые на рынке компьютерных программ, вовсе не являются системами АПР, поскольку они не автоматизируют процесс проектирования и тем более производства. В упомянутых САПР-продуктах предлагается замена обычного кульмана на кульман компьютерный, упрощается обработка неграфической документации, возможно подсоединение внешних исполняемых модулей и это - почти все (таков перечень возможностей "легких и средних" САПР, например AutoCAD). А инженер как принимал все решения в процессе проектирования "головой", так и принимает. Пусть даже трехмерная графика позволяет создать твердотельные модели деталей, узлов и двигателя в целом, проверяя его на собираемость; пусть модуль "Технология" продемонстрирует анимационную модель процесса обработки детали (такие возможности имеются в "тяжелых" САПР, например в Рro/ENGINEER). Все равно это весьма далеко от реального автоматического проектирования, ибо в этих системах выпадает ключевое звено - компьютеризация собственно интеллектуальной инженерной деятельности.

Повторим и подчеркнем: с приобретением "САПР-продукта" почти все решения продолжает принимать человек, а не машина. Для проектирования - это решения простейшие (на уровне лаборанта); простые (на уровне техника-чертежника); требующие средней квалификации (инженера конструктора 3 и 2-й категорий) и, разумеется, ключевые, высокопрофессиональные решения, требующие высокой и высшей квалификации.

И если на уровне графики эти системы все же поднимаются до уровня рядового инженера (например, автоматическое внесение изменений в соответствующие чертежи), то на уровне работы с неграфическими БЗ все остается без изменения. Например, нет программ автоматического уменьшения поля поиска решений при анализе ТЗ (поскольку это "слишком" объектно-ориентированная задача). Нет программ, динамически меняющих и автоматически предлагающих набор средств по достижению искомого результата в процессе интерактивной работы проектировщика. Тем более нет динамически меняющихся весовых коэффициентов значимости тех или иных инженерных решений. Попросту говоря, методы проектирования с помощью искусственного интеллекта в этих системах практически не задействованы. Более того, в теории электрических машин упомянутые вопросы совершенно недостаточно разработаны и "на бумаге". Скорее всего оттого, что их проблематично разработать без точного представления о возможностях инструментального компьютерного обеспечения, в котором будут реализованы эти методы. Последнее еще раз говорит об иллюзорной самодостаточности математического обеспечения САПР АД.

Неразрешимая проблема коммерческих продуктов под гордым названием "Универсальная интегрированная инженерная САПР" заключается в том, что практически невозможно в принципе создать закрытую, (т.е. недоступную пользователю для объектно-ориентированной настройки и органической адаптации под свое конкретное производство) систему, которая бы решала интеллектуальные задачи для всех производств или даже для производств родственных отраслей. Слишком велик и специфичен интеллектуальный багаж конкретного предприятия; суммарный багаж десятков и сотен предприятий никакая система не обобщит и не потянет. Однако, тужась быть универсальными, "тяжелые" САПР пытаются вобрать в себя как можно больше функций, которые почти никогда не используются в конкретных условиях проектирования даже на 50 %.

"Тяжелую универсальную САПР" можно уподобить заводу-гиганту, способному производить 1000 видов различных изделий. Технологические процессы на заводе - жесткие или почти жесткие. Предприниматель, нуждающийся только в 20 видах изделий, покупает завод в надежде, что все они заводом выпускаются или могут выпускаться. Вскоре обнаруживается, что завод выпускает только 5 из необходимых 20 изделий, еще 5 он может освоить, а вот остальные 10 не может освоить в принципе, несмотря на свой гигантизм. И тогда разочарованный предприниматель вынужден пристраивать к заводу десяток мастерских, кустарно выпускающих остальные 10 наименований (доморощенные объектно-ориентированные мини-САПР). Либо покупать эти 10 изделий где-то на стороне (т.е. использовать иные фирменные программные продукты и приложения). Самое парадоксальное в этой ситуации в том, что остальные 995 видов изделий, которые может выпускать завод, предпринимателю никогда не понадобятся, следовательно, большая часть вложенных средств, истрачена напрасно. Переходя от сравнений к конкретике, отметим, что в условиях электротехнического производства такие мощные системы как, например, Рro/ENGINEER, едва ли будут использоваться более чем на 30-40%, в то время как в них не содержатся собственно методы расчетного проектирования АД, тем более с помощью элементов искусственного интеллекта.

Есть ли альтернатива компьютерным кульманам и переизбыточным САПР-гигантам?

Наука САПРостроения отвечает - ЕСТЬ.

Существует два пути.

Первый путь, когда группа высококвалифицированных специалистов, долгие годы, работая на крупном производстве, разрабатывает систему автоматизации только своего конкретного производства. Система развивается, "живет" вместе с этим производством, впитывая в себя новые идеи, технические и технологические решения ведущих специалистов-производственников с одной стороны, и базируясь на лучших достижениях из мира компьютерного обеспечения (САD, CAM, CAРР, RAD-технологий) с другой. Ведущие специалисты производства экспертным путем определяют, какие из решений можно поручить компьютеру, а какие - являющиеся уникальными, оставить за человеком. Свои соображения они передают специалистам-программистам, и те наращивают САПР предприятия. Заметим, что в серьезных западных корпорациях (например, в корпорации Siemens) создавались и создаются именно такие системы автоматизации - в истинном смысле системы комплексной автоматизации. Разумеется, эти уникальные САПР не продаются, а если их оценить - то стоимость их окажется чрезмерно высокой даже для очень крупных и крепких отечественных предприятий.

Первый путь хорош и имеет лишь один недостаток. Большинство отечественных предприятий совершенно не охвачено и не приспособлено (структурно, технически, психологически, финансово) к комплексной автоматизации. Т.е. автоматизацию нужно начинать с нуля: с автоматизации процесса проектирования изделий, автоматизированного технологического контроля разработанных комплектов КД и т.д. Но кто будет заниматься разработкой реальных САПР на отечественных предприятиях? Ясно, что в нынешний кризисный период мало кто из руководителей может позволить содержать группу высококлассных программистов для многолетней работы по созданию САПР под свое предприятие. Выхода нет?

Выход есть, и он пролегает через второй путь: приобретение предприятием системы, которая, во-первых, специально предназначена для создания интегрированных интеллектуальных индивидуальных САПР под конкретное предприятие и, во-вторых, ориентирована на специалистов-прикладников этого конкретного предприятия (т.е. не требует введения в штат предприятия специалистов-программистов САПР). После приобретения таковой системы все остальное происходит по первому сценарию: система быстро и эффективно заполняется знаниями о проектировании и производстве номенклатуры изделий конкретного предприятия, причем благодаря полной открытости и дружелюбности интерфейса, процесс настройки системы под предприятие делается своими сотрудниками самостоятельно. Лишь на первых порах требуются небольшие консультации разработчика. Развивая сравнение, приведенное в конце предыдущего раздела, уподобим систему, генерирующую индивидуальные САПР, современному заводу с чрезвычайно гибкой и многофункциональной технологией, способному в сжатые сроки организовать выпуск требуемых 20, либо немного более 20 изделий (т.е. без особых излишеств, но и без напрасно вложенных капиталов). Самое главное: если потребуется полностью сменить номенклатуру изделий - гибкая технология позволит это успешно осуществить.

Что же это за чудо-система? Единственной отечественной разработкой, позволяющей генерировать специализированные САПР для автоматизации инженерной деятельности предприятий самого разного профиля, включая электротехнические, является интегрированная инструментальная система автоматизированного проектирования "СПРУТ".

О составе комплекса "СПРУТ"

Настоящая вводная статья не ставит задачу полного описания возможностей системы СПРУТ. Во-первых, это задача специальных компьютерных журналов, во-вторых, она перманентно решается с учетом появления новых результатов и обновления версий. Наша перспективная цель - знакомство с системой "СПРУТ" через призму создания электротехнического приложения к ней и открывающимися новыми возможностями проектирования АД с использованием этой новейшей компьютерной технологии. Собственно использованию системы при проектировании АД будут посвящены последующие публикации.

Рассмотрим общую архитектуру комплекса СПРУТ весьма кратко. Инструментальные средства СПРУТ можно разделить на языковые и интерактивные, состав которых представлен на рис. 3.

Состав комплекса "СПРУТ".

Языковые средства, в свою очередь, состоят из универсальных и специализированных подсистем.

Подсистемы СПРУТ представляют собой собственные языки сверхвысокого уровня 4-го поколения с управляемой проблемной ориентацией. Синтаксис языков максимально приближен к проблемным областям их применения и не требует квалификации в программировании. Подсистемы СПРУТ предназначены для разработки объектно-ориентированных приложений. Базовый язык содержит основной набор операторов алгоритмических языков (арифметические, логические и строковые операторы присваивания, операторы циклов, условных и безусловных переходов, операторы работы с подпрограммами и процедурами, запуска внешних задач, ввода-вывода и т.п.).

В базовом языке имеются операторы подключения и отключения специализированных проблемно-ориентированных подсистем СПРУТ. Добавив такой оператор, можно подключить к работе, например, подсистему двухмерного моделирования и расчетов, что дает возможность использовать все ее функции.

SРRUT MONITOR - базовая подсистема языка СПРУТ. В ней содержатся логические операторы, операторы передачи управления, математические функции, функции работы со строками.

SGR - подсистема базовой графики. Предназначена для вывода геометрических элементов и текста на различные типы и мониторов.