Введение. Интенсивный рост объемов информации, переработка которых необходима для обеспечения стадий жизненного цикла наукоёмких изделий (ЖЦИ) в интегрированной автоматизированной информационной системе (ИАИС) предприятия, приводит к необходимости решения актуальной задачи – создание единой информационной модели (ЕИМ).
C одной стороны, ЕИМ должна позволять описать взаимодействие наборов данных бизнес-процессов, материальных объектов и ресурсов предприятия, а с другой - обеспечить быстрый и надежный доступ к хранимым данным на основе применения вычислительных и программных средств.
Формализация задачи создания ЕИМ ИАИС предприятия. При создании ЕИМ ИАИС предприятия необходимо установить взаимосвязь свойств объектов от характеристик их функциональных структурных элементов, которые, в свою очередь, зависят от свойств этих объектов. Эта взаимосвязь является основным признаком целостности ЕИМ ИАИС предприятия. Следовательно, формальное определение единой ЕИМ может быть представлено в следующей форме: ЕИМ 
– это топология взятых в отношениях 
объектов и объединенных по композиционным законам 
структурных элементов 
, выделенных в соответствии с основанием 
из множества структурных элементов 
:
, (1)
, (2)
; 
; 
; 
.
Основанием для выбора структурного элемента 
из множества таких элементов является совпадение сущностей и атрибутов элемента с аналогичными характеристиками объекта ЕИМ ИАИС. Композиционные законы отражают возможные формы единства при объединении структурных элементов в систему . Выделим следующие формы композиционного единства: компоновочная самостоятельность структурного элемента при его включении в ЕИМ ИАИС; функциональное назначение структурного элемента; необходимость введения элементов связей 
с элементом . В свою очередь, каждый структурный элемент , принадлежащий множеству , обладает технико-экономическими свойствами, которые могут выполняться на определенном качественном уровне 
. Именно способность выполнения локальной функции является признаком выделения структурного элемента в универсальном множестве . Определим композицию структурных элементов , выделенных на основании 
из универсального множества структурных элементов (удовлетворяющего условиям полной области существования), взятых в отношениях и объединенных по композиционным правилам таким образом, что в результате этого объединения появляются:
- системообразующие свойства 
(например, вещественные, информационные
и другие связи):
; (3)
- технико-экономические свойства 
(например, технологичность, материалоемкость, трудоемкость, надежность, эффективность и т.д.):
, (4)
.
В результате взаимодействия и можно получить новые интегральные потребительские свойства ЕИМ ИАИС 
, например: плановая и фактическая себестоимости, объём и стоимость незавершенного производства и т.д.
ЕИМ ИАИС можно представить в форме описания отношений преобразований и связей в структурных элементах системы. Отношение преобразований 
отображается отношениями между входными данными 
и выходными данными 
структурных элементов
ЕИМ ИАИС. При формализованном описании структурных элементов входные и выходные данные характеризуются соответствующими количественными параметрами 
. Отношение связей 
характеризует способность структурных элементов ЕИМ ИАИС вступать во взаимодействие между собой. В общем случае могут иметь место непосредственные и опосредованные связи. Если структурные элементы системы могут быть совмещены, то связи устанавливаются как непосредственные. В противном случае для установления связей требуется введение структурных элементов связей, обеспечивающих передачу данных в ЕИМ ИАИС.
В качестве примера можно рассмотреть процесс преобразования материального сырья (номенклатура) и полуфабрикатов в конечное наукоемкое изделие, обладающее заданными потребительскими качествами и свойствами. Элементы связей соответствуют моделям операций транспортировки сырья, полуфабрикатов, финансовых ресурсов в ЕИМ ИАИС предприятия. Организация передачи наборов данных в ЕИМ ИАИС осуществляется в последовательности, определяемой процессом передачи преобразуемых данных от их источников к потребителям.
Состав сырья и полуфабрикатов, его параметры и пространственное положение определяются внешними по отношению к проектируемой системе условиями (например, расположение и параметры источников сырья и полуфабрикатов и т.п.). Соответственно состав, пространственное положение получаемого в ИАИС наукоемкого изделия определяются целевым назначением и содержанием поставленной задачи.
Таким образом, формализованная задача создания ЕИМ ИАИС состоит в направленном формировании композиции структурных элементов, их параметров, связей, расположения и временного распределения ожидаемых состояний системы, соответствующих условиям реализации стадий ЖЦИ.
Отношения между структурными элементами 
в ЕИМ ИАИС предприятия предлагается устанавливать в виде иерархических (древовидных) представлений. Это позволяет одновременно отражать как структурные, так и параметрические отношения при объединении структурных элементов с формированием системных связей, что исключает необходимость аналитического описания уравнений связей. При иерархическом представлении информационных моделей объектов множеству структурных элементов и их состояниям соответствует множество вершин дерева. Множеству связей между элементами – множество ветвей. Множеству параметрических отношений – множество передач ветвей дерева. Множеству координат элементов – множество координат вершин дерева, помещенного в топологическую область ЕИМ ИАИС.
Для проектирования ЕИМ ИАИС предприятия необходимо использование информационных интерфейсов между всеми уровнями структурных элементов системы. При этом используемые информационные модели структурных элементов должны содержать признаки координатной, вещественной, информационной, параметрической и временной совместимости, а также математические зависимости свойств и параметров элементов от характеристик входных и выходных данных. Кроме того, информационные модели элементов более высокого уровня должны содержать информацию об элементах более низкого уровня в той мере, которая необходима для выполнения операций топологического построения системы.
Для создания ЕИМ ИАИС предприятия выполнен анализ возможностей четырёх технологий представления древовидных структур, применяемых в реляционной БД: в виде матрицы смежности; с помощью таблицы связей; в виде таблицы узлов и составных путей; на основе интервального дерева. Результаты сравнительного анализа, подробно описанные в работе [3], показали, что рассмотренные технологии представления древовидных структур обладают различным сочетанием положительных и отрицательных основных характеристик: возможность описания множества иерархических представлений структурных элементов и максимальное количество уровней в них; размер и общее количество записей; производительность запросов выборки, редактирования набора данных; поддержка целостности данных; размер, занимаемый данными на диске; требования к ресурсам ЭВМ. Предложенная технология иерархического представления данных основана на разработанной функциональной модели ИАИС [2; 3] предприятия и реализована в виде ЕИМ, которая удовлетворяет следующим основным требованиям:
- структура: максимальное количество уровней – не менее 50; общее количество записей – нет существенных ограничений; формирование осуществляется по событию в
ИАИС; построение множества альтернативных деревьев, описывающих иерархические представления предметной области ИАИС;
- реализация: вхождение узла в разные уровни иерархического представления с различным значением количественного параметра; ассоциативная связь атрибутов дочернего узла с атрибутами родительского узла; различное сочетание атрибутов узла (например, компонента изделия и её возможные технологические маршрутные расцеховки);
- высокая производительность операций: определения количества всех потомков узла; навигации и корректирования поддерева; прямой выборки всех потомков узла, поддерева, пути от узла до корня дерева (всех предков узла); выбора узла (например, изделие, компонента, маршрутная расцеховка, документ и т.п.), удовлетворяющего условиям отбора с группированием отобранных записей по изделию, компоненте, технологическому маршруту (расцеховка), рабочему центру, технологической операции и другим наборам данным.
Предлагаемая технология позволила исключить моноцентризм иерархической модели, вводимой в теории графов, которая накладывает слишком жесткие ограничения на сценарий обработки содержащейся в ней информации, так как предусматривает единственный вход в ее структуру. Каждый смысловой атрибут объявлен как потенциально корневой, даже если он является промежуточной вершиной основного дерева. Для каждой такой вершины формируется альтернативная иерархия атрибутов, в которой подграф, расположенный ниже вершины, останется без изменений, а остальная часть дерева будет инвертирована. Таким образом, из одного основного дерева может быть порождено множество альтернативных деревьев, описывающих иерархические модели наборов данных предметной области. Тем самым достигается множественность возможных точек входа в ЕИМ ИАИС предприятия.
На рисунке 1 приведена ЕИМ ИАИС предприятия. Сплошные линии соответствуют связям, представленным в таблицах реляционной схемы данных ЕИМ. Пунктирными линиями обозначены связи, которые являются ограничениями внешнего ключа в схеме данных ЕИМ. В ЕИМ выделены следующие иерархические представления: ДСЕ изделия: У1…У3; топологии вхождения ДСЕ и их наборы данных: К1…К4; технологических маршрутов изготовления ДСЕ (расцеховка): Р1…Р3; уровней взаимодействия наборов данных на стадиях ЖЦИ L1…L[N].
Рисунок 1 – ЕИМ ИАИС предприятия
В отличие от представления данных в виде бумажной технической документации, одновременно могут отображаться несколько уровней иерархических представлений наборов данных на стадиях ЖЦИ. Разработанная ЕИМ является основой для реализации PDM
(Product Data Management)-технологии, предназначенной для управления наборами данных на стадиях ЖЦИ в ИАИС Stalker PLM [4]. Функции PDM-технологии (рисунок 2):
- управление описанием, хранением, конфигурацией и правами доступа к набору данных и документам электронной структуры изделия (ЭСИ). ЭСИ – это не менее сложный продукт, чем само изделие, разработка которого требует совершенно новых технологий для своего создания и управления [1; 5]. Все наборы данных и документы ЭСИ сохраняются в хранилище данных ИАИС, которое обеспечивает их целостность, организует совместный доступ пользователей к ним в соответствии с правами доступа. Данные документы называются электронными техническими документами, которые включают электронные цифровые подписи;
- управление деловыми бизнес-процессами, включая отслеживание и сохранение всех операции пользователей с наборами данных ЭСИ. Деловой бизнес-процесс с информационной точки зрения – это последовательность действий над объектами, изменяющих их состояние и направленных на обеспечение ЖЦИ. Объектами ИАИС являются, например, документы и геометрические модели ДСЕ в виде файлов, технологические процессы;
Рисунок 2 – Реализация ЕИМ в ИАИС Stalker PLM
- классификация объектов. Смысл классификации состоит в том, что схожая информация сгруппирована в классы, имена которых отражают суть объектов, причём реализованная классификация является более гибкой, чем её бумажный аналог. Чем больше количество ДСЕ в проектируемом наукоёмком изделии, тем выше потребность предприятия в функциях классификации (снижение стоимости и сроков разработки ЭСИ).
Заключение. Экономическая выгода от внедрения ЕИМ ИАИС Stalker PLM: сокращение непроизводительных затрат времени в ходе технической подготовки производства, связанных с поиском, копированием, архивированием набора данных ДСЕ, составляет
25–30%; применение параллельного (совмещённого) проектирования значительно сокращает стоимость этих работ (более раннее выявление ошибок) на 50%; применение процедур заимствования ранее спроектированных ДСЕ, включая значительное сокращение стоимости изменений в ДСЕ (в первую очередь за счет исключения временных потерь);
повышение качества проектирования изделия за счёт использования регламентированного доступа к исходным и результирующим наборам данных на стадиях ЖЦИ.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.B37.21.0398 «Создание перспективной промышленной информационной технологии и подготовка кадров для системной автоматизированной разработки и эксплуатации сложных наукоемких изделий на основе интеграции МетаСАПР/Framework, имитационного моделирования, CAD/CAM/CAE/PLM, SCADA, ERP и СППР».
Рецензенты:
Горюнов И.М., д.т.н., профессор кафедры «Авиационные двигатели», УГАТУ, г. Уфа.
Ахмедзянов Д.А., д.т.н., профессор кафедры «Авиационные двигатели», УГАТУ, г. Уфа.