CALS - технології

Нині CALS(Continuous Acquisition and Life Cycle Support) переводиться як «безперервний розвиток і підтримка ЖЦ». Перша частина терміну CALS(Continuous Acquisition) означає постійний розвиток, який зазнає як сам виріб впродовж свого ЖЦ, так і процес взаємодії між споживачем і постачальником. Друга частина терміну CALS(Life Cycle Support) означає оптимізацію витрат на створення і експлуатацію виробу упродовж усього ЖЦ. Це виливається у збільшення витрат на етапах розробки(і пропорційне збільшення ціни виробу) в цілях кращого обліку вимог етапів експлуатації, ремонту і обслуговування виробу, що призводить до зниження вартості використання виробу для споживача.

Спосіб досягнення бажаних цілей(підвищення конкурентоспроможності промислового виробу) закладений в стратегії CALS, що припускає створення єдиного інформаційного простору(ЕИП) для усіх учасників ЖЦ виробу. ЕИП припускає уявлення усієї інформації про виріб в електронному вигляді і організацію спільного використання для усіх учасників ЖЦ виробу(відповідно до прав доступу).

Основними властивостями ЕИП є:

- інформація надається в електронному вигляді;

- ЕИП охоплює усю інформацію, створену про виріб усіма виконавцями на будь-якому етапі ЖЦ;

- ЕИП виступає основним джерелом даних для виконавців, надаючи(відповідно до прав доступу) потрібну інформацію в потрібний час і в потрібному виді;

- для інтеграції інформації в ЕИП використовуються тільки міжнародні і галузеві стандарти, підтримувані переважною більшістю виробників прикладних систем;

- для створення ЕИП використовуються існуючі на підприємствах програмно-апаратні засоби; потрібна адаптація цих систем до роботи у рамках ЕИП.

Стратегія CALS передбачає два етапи при переході до ЕИП:

- автоматизацію окремих процесів(чи етапів) ЖЦ виробу і представлення даних на них в електронному вигляді;

- інтеграцію автоматизованих процесів і даних, що відносяться до них, вже представлених в електронному вигляді, у рамках ЕИП.

CALS- технології є набором методів реалізації стратегії CALS:

- технології реинжиниринга бізнес-процесів - набір методів реструктуризації бізнес-процесів в цілях підвищення їх ефективності;

- технології представлення даних про виріб в електронному вигляді - набір методів для представлення в електронному вигляді даних про виріб, що відносяться до окремих процесів ЖЦ виробу. Ці дані є інформаційними моделями, що забезпечують автоматизацію окремих процесів ЖЦ виробу. Технології представлення даних включають також технології перекладу даних з паперового в електронний вигляд(E - commerce - ^-бизнес). Дана група CALS- технологій складається з відомих методів, реалізованих у відповідних автоматизованих системах;

- технології інтеграції даних про виріб у рамках ЕИП - набір методів для інтеграції автоматизованих процесів ЖЦ і даних, що відносяться до них, представлених в електронному вигляді, у рамках ЕИП; ці технології реалізуються за допомогою класу автоматизованих систем, що називаються системами управління даними про виріб.

Передумови появи CALS- технологій

CALS- технології покликані служити засобом, інтегруючим промислові автоматизовані системи в єдину багатофункціональну систему. Метою інтеграції автоматизованих систем проектування і управління є підвищення ефективності створення і використання складної техніки. У чому виражається підвищення ефективності?

По-перше, покращується якість виробів за рахунок повнішого обліку наявної інформації при проектуванні і ухваленні управлінських рішень. Так, обгрунтованість рішень, що приймаються в автоматизованій системі управління підприємством(АСУП), буде вища, якщо особа, що приймає рішення, і відповідні програми АСУП мають оперативний доступ не лише до бази даних АСУП, але і до баз даних інших автоматизованих систем - системи автоматизованого проектування(САПР), автоматизованої системи технологічної підготовки виробництва(АСТПП) і автоматизованої системи управління технологічними процесами(АСУТП) і, отже, можуть оптимізувати плани робіт, зміст заявок, розподіл виконавців, виділення фінансів і т. п.

При цьому під оперативним доступом необхідно розуміти не просто можливість прочитування даних з баз даних, але і легкість їх правильної інтерпретації, т. е. узгодженість по синтаксису і семантиці з протоколами, прийнятими в АСУП. Те ж відноситься і до інших систем, наприклад, технологічні підсистеми повинні з необхідністю сприймати і правильно інтерпретувати дані, що поступають від підсистем автоматизованого конструювання. Останнього не так легко добитися, якщо основне підприємство і організації-суміжники працюють з різними автоматизованими системами.

По-друге, скорочуються матеріальні і тимчасові витрати на проектування і виготовлення виробів. Застосування CALS- технологій дозволяє істотно скоротити об'єми проектних робіт, оскільки опису раніше виконаних вдалих розробок компонентів і пристроїв, багатьох складових частин устаткування, машин і систем, що проектувалися раніше, зберігаються у базах цих мережевих серверів, доступних будь-якому користувачеві CALS- технологій. Доступність знову ж таки забезпечується узгодженістю форматів, способів, керівництва в різних частинах загальної інтегрованої системи. Крім того, з'являються ширші можливості для спеціалізації підприємств, аж до створення віртуальних підприємств, що також сприяє зниженню витрат.

По-третє, значно знижуються витрати на експлуатацію завдяки реалізації функцій інтегрованої логістичної підтримки. Істотно полегшується рішення проблем ремонтопридатності, інтеграції продукції в різного роду системи і середовища, адаптації до умов експлуатації і т. п., що міняються

Ці переваги інтеграції даних досягаються застосуванням сучасних CALS- технологій.

CALS- технологія - це технологія комплексної комп'ютеризації сфер промислового виробництва, комплексність забезпечується уніфікацією і стандартизацією специфікацій промислових виробів на усіх етапах їх життєвого циклу. Основні специфікації представлені проектною, технологічною, виробничою, маркетинговою, експлуатаційною документацією. У CALS- системах передбачено зберігання, обробку і передачу інформації в комп'ютерних середовищах, оперативний доступ до даних в потрібний час і в потрібному місці.

CALS- технології зародилися в 1980-і рр. в надрах військово-промислового комплексу США у зв'язку з планами США в області стратегічної оборонної ініціативи(СОЇ). Тому не дивно, що серед наявних CALS- стандартів фігурує велике число стандартів і рекомендацій DoD(Міністерства оборони США). Для реалізації планів СОЇ були потрібні спільні зусилля багатьох промислових компаній і підприємств в проектуванні, виробництві і логістичній підтримці складних виробів, а це означало необхідність уніфікації представлення даних про вироби. Було усвідомлено, що для взаємодії автоматизованих систем різних підприємств потрібна уніфікація не лише форми, але і змісту(семантики) проектною, технологічною, експлуатаційною і іншій інформації про спільно вироблювану продукцію. Іншими словами, було потрібне створення єдиного інформаційного середовища взаємодії усіх найбільших фірм американського військово-промислового комплексу.

Виявилось, що це надзвичайно складна проблема, рішення якої вимагає тривалого і багатостороннього опрацювання в масштабах, що виходять за межі однієї країни. З'ясувалося також, що створення єдиного інформаційного середовища потрібно не лише для унікальних програм типу СОЇ, але і для виробництва будь-яких складних систем, в першу чергу військової техніки, якщо її виробництво засноване на взаємодії багатьох підприємств.

В связи с возникшими практическими потребностями рядом комиссий и комитетов в рамках международных организаций были начаты работы по созданию информационных технологий взаимодействия предприятий и выражающих их международных стандартов. Например, в Международной организации стандартизации (International Standard Organization - ISO) этими вопросами занимается подкомитет SC4 комитета ТС184. В SC4 имеется несколько рабочих групп, занимающихся конкретными сериями стандартов. В настоящее время в ведущих индустриальных странах мира созданы национальные органы, координирующие работу в области CALS-технологий. В международном масштабе развитием CALS помимо ISO занимаются и такие организации, как ICC (International CALS-congress), EIA (Electronics Industry Association), IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) и др. В России в рамках Госстандарта создан технический комитет № 431 «CALS-технологии».

У 1990-х рр. розроблений і до теперішнього часу прийнятий ряд серій міжнародних стандартів, представляючих CALS- технології, серед яких найбільш значимі стандарти ISO 10303 STEP(Satndard for Exchange of Product Data). У контрактах, що укладаються на постачання зарубіжним замовникам військової техніки, вимоги до виробів і документації на них, як правило, формулюються з позицій міжнародних CALS- стандартів і стандартів DoD(останні мають префікс MIL).

Розвиток CALS- технологій стимулює утворення віртуальних виробництв, при яких процес створення специфікацій з інформацією для програмно керованого технологічного устаткування, достатньою для виготовлення виробу, може бути розподілений в часі і просторі між багатьма організаційно автономними проектними організаціями.

Очікується, що успіх на ринках складної технічної продукції буде немислимий зовні CALS- технологій. Так, вже сьогодні фірми, що пропонують військову техніку без електронної документації, виконаної відповідно до CALS- стандартами, не мають жодних шансів на успіх в конкурентній боротьбі.

Головне завдання створення і впровадження CALS- технологій - забезпечення однакових описів і інтерпретації даних незалежно від місця і часу їх отримання в загальній системі, що має масштаби аж до глобальних. Структура проектної, технологічної і експлуатаційної документації, мови її представлення мають бути стандартизованными. Тоді стає реальною успішна робота над загальним проектом різних колективів, що розділених в часі і просторі і застосовують різні системи CAE/CAD/CAM.

Одна і та ж конструкторська документація може бути використана багаторазово в різних проектах, а одна і та ж технологічна документація - адаптована до різних виробничих умов, що дозволяє істотно скоротити і здешевити загальний цикл проектування і виробництва. Крім того, спрощується експлуатація систем.

CALS- технології не відкидають існуючі автоматизовані системи проектування і управління, а є засобом їх ефективної взаємодії. Тому інтеграція автоматизованих систем на сучасних підприємствах має бути заснована на CALS- технологіях. Впровадження їх вимагає освоєння наявних технологій і CALS- стандартів, розвитку моделей, методів і програм автоматизованого проектування і управління. Важливі проблеми, що вимагають рішення при створенні CALS - систем, - управління складністю проектів і інтеграція програмного забезпечення, включаючи питання декомпозиції проектів, розпаралелювання проектних робіт, цілісності цих, міжпрограмних інтерфейсів та ін.

Проблематика CALS має ряд аспектів. По аналогії з аспектами автоматизованого проектування доцільно ці аспекти називати видами забезпечення CALS і виділяти лінгвістичне, інформаційне, програмне, математичне, методичне, технічне і організаційне забезпечення CALS.

До лінгвістичного забезпечення відносяться мови і формати даних про промислові вироби і процеси, використовувані для представлення і обміну інформацією на етапах життєвого циклу виробів.

Інформаційне забезпечення складають бази даних, в яких є відомості про промислові вироби, використовувані різними системами в процесі проектування, виробництва, експлуатації, експлуатації і утилізації продукції. До складу інформаційного забезпечення входять також серії міжнародних і національних CALS- стандартів і специфікацій.

Програмне забезпечення CALS представлене програмними комплексами, призначеними для підтримки єдиного інформаційного простору етапів життєвого циклу виробів. Це передусім системи управління документами і документообігом, управління проектними даними(PDM), взаємодії підприємств в спільному електронному бізнесі(CPC), підготовки інтерактивного електронного технічного керівництва і деякі інші.

Математичне забезпечення CALS включає методи і алгоритми створення і використання моделей взаємодії різних систем в CALS - технології. Серед цих методів в першу чергу слід назвати методи імітаційного моделювання складних систем, методи планування процесів і розподілу ресурсів.

Методичне забезпечення CALS представлене методиками виконання таких процесів, як паралельне(поєднане) проектування і виробництво, структуризацію складних об'єктів, їх функціональне і інформаційне моделювання, об'єктно-орієнтоване проектування, створення онтологий застосувань.

До технічного забезпечення CALS відносять апаратні засоби отримання, зберігання, обробки і візуалізації даних при інформаційному супроводі виробів. Взаємодія частин віртуальних підприємств, систем, що підтримують різні етапи життєвого циклу виробів, відбувається через лінії передачі даних і мережеве комутуюче устаткування. Проте використовувані технічні засоби не є специфічними для CALS, і тому далі в цьому посібнику питання технічного забезпечення не розглядаються.

Нарешті, організаційне забезпечення CALS представлене різного роду документами, сукупністю угод і інструкцій, що регламентують ролі і обов'язки учасників життєвого циклу промислових виробів.

За останній рік з'явилися цілий ряд підприємств, які активно займаються вивченням і застосуванням CALS- технологій для вирішення конкретних виробничих завдань підвищення якості і конкурентоспроможності продукції, що випускається. До таких організацій відносяться АВПК «Сухою», АНТК ім. Туполева, ВАТ «Туламашзавод», Конструкторське бюро приладобудування(м. Тула), корпорація «Компомаш», корпорація «Метран» та ін. Розробкою конкретних застосувань CALS- технологій для ряду областей промисловості займається МГТУ «Станкин». Рішенням координаційної ради РАН по технічних науках від 12 лютого 2002 р. Інститут конструкторсько-технологічної інформатики РАН доручена координація робіт по CALS(ИПИ) -технологиям.

STEP- стандарти

Побудова розподілених АС для проектування і управління в промисловості, взаємодіючих один з одним в єдиному інформаційному просторі, складає основу сучасних CALS - технологій. У CALS- технологіях необхідно забезпечити однаковий опис і інтерпретацію даних, незалежно від місця і часу їх отримання в загальній системі, що має масштаби аж до глобальних. Структура проектної, технологічної і експлуатаційної документації, мови її представлення мають бути стандартизованными. Тоді стає реальною успішна робота над загальним проектом різних колективів, розділених в часі і просторі і використовуючих різні CAE/CAD/CAM- системи. Одна і та ж проектна документація може бути використана багаторазово в різних проектах, а одна і та ж технологічна документація - в різних виробничих умовах, що істотно скорочує і здешевлює загальний цикл проектування і виробництва, а також спрощує експлуатацію систем.

Ці цілі поставлені при розробці стандартів STEP(Standard for Exchange of Product Data - стандарт для обміну даними про промислову продукцію). До їх розробки під егідою ISO притягнений ряд провідних фахівців фірм в різних галузях промисловості. Сукупність стандартів STEP складає основу CALS- технологій.

Однакова форма описів даних про промислову продукцію забезпечується введенням в STEP мови Express, інваріантної до додатків.

Основу STEP складає мова Express. Це мова уніфікованого представлення даних і обміну даними в комп'ютерних середовищах. Мова інваріантна до додатків. Хоча він розроблявся з орієнтацією, передусім, на опис життєвих циклів промислових виробів, сфери його застосування значно ширше.

У STEP використовуються наступні важливі поняття:

• AAM - Application Activity Model; це функціональна модель IDEF0 для певного застосування;

• ARM - Application Requirements Model; це модель, що представляє дані з точки зору користувача. Зокрема, в цій моделі дані можуть бути виражені як засобами типовими для додатка, так і з використанням синтаксису мови Express;

• AIM - Application Interpreted Model; це ARM модель, переведене в STEP представлення з використанням ряду уніфікованих в STEP понять, закріплених в інтегрованих ресурсах;

• AP - Application Protocol; це STEP- стандарт, що відбиває специфіку конкретного притложения;

• SDAI - Standard Data Access Interface; це програмний інтерфейс до джерел цих(репозиторіям) прикладних систем(у тому числі до бібліотек моделей систем CAD/CAM) з перекладом моделей в STEP- файли, використовується в STEP- середовищах для організації обмінів між додатками через загальну базу даних STEP.

STEP - це сукупність стандартів, що складаються з декількох томів. Томи мають свої номери N і позначаються як «частину N» або ISO 10303 - N. До теперішнього часу розроблена більше сотні томів. Стандарти ISO 10303 визначають засоби опису(моделювання) промислових виробів на усіх етапах їх життєвого циклу.

Том 1 (ISO 10303-1) - вводный стандарт, выполняющий роль аннотации всей совокупности томов. В этом стандарте вводится ряд терминов, используемых в других стандартах, например, таких, как продукт (product), приложение (application), проектные данные (product data), модель (model), модели AAM, AIM, ARM, прикладной протокол (AP), интегрированный ресурс (integrated resource), элемент функциональности (unit of functionality - UoF).

Тома 11-14 - методы описания (description methods).

Тома 21-29 - методы реализации (implementation methods).

Тома 31-35 - основи тестування моделей(conformance testing methodology andframework).

Тома 41-50 - інтегровані основні ресурси(integrated generic resources).

Тома 101-108 - інтегровані прикладні ресурси(integrated application resources).

Тома 201-236 - прикладні протоколи(application protocols).

Тома 301-332 - абстрактні тестові набори(abstract test suites).

Тома 501-520 - прикладні компоненти(application interpreted constructs).

Ряд томів перекладений російською мовою і представлений у вигляді національних стандартів Росії. Це, наприклад, ГОСТ Р ИСО 10303-1-99, присвячений огляду і засадничим принципам STEP, ГОСТ Р ИСО 10303-11-99 - довідкове керівництво по мові Express, ГОСТ Р ИСО 10303-21-99 - те ж по обмінному файлу, ГОСТ Р ИСО 10303-41-99 - опис інтегрованих родових ресурсів.

Перераховані документи відповідають стандартам ISO 10303-1, ISO 10303-11, ISO 10303-21, ISO 10303-41. Підготовлені до твердження ГОСТ, що відповідають томам 43, 44, 203 стандарти ISO 10303.

Таким чином, в томах STEP описані основні принципи обміну даними, викладені правила мови Express, дані методи його реалізації. Моделі, методи тестування моделей, ресурси як загальні для додатків, так і деякі спеціальні(наприклад, геометричні і топологічні моделі, опис матеріалів, процедури креслення, звичайно-елементного аналізу і т. п.), введені прикладні протоколи, що відбивають специфіку моделей в конкретних предметних областях. Питанням взаємодії АС в STEP приділяється основна увага - виділена підгрупа томів, присвячена способам обміну даними між різними системами, створеними у рамках STEP- технології.

Розвиток CALS- технологій знаходить вираження також в розробці серій стандартів ISO 13584 Parts Library(скорочено P_Lib), ISO 14959 Parametrics, ISO 15531 Manufacturing Management Data(Mandate), ISO 18876 Integration of Industrial Data for Exchange, Access, and Sharing(IIDEAS), ISO 8879 Standard Generalized Markup Language.