Информационные системы и технологии в авиастроении

Тема:  “Информационные системы и технологии в авиастроении”

Содержание

Введение 4

1 Современное авиастроение и ИТ 5

1.1 Обзор мирового авиастроения 5

1.2 Достижения новых технологий в авиастроении 6

2 CALS-технологии в авиастроении 8

2.1 Основные понятия 8

2.2 Концептуальная модель CALS (ИПИ) 11

2.3 Задачи, решаемые при помощи CALS-технологий 15

2.4 Что дают CALS-технологии 16

2.5 Системы автоматизированного проектирования 17

3 CALS-технологии в российском авиастроении 19

3.1 Проблемы внедрения CALS-технологий в Российском авиастроении 19

3.2 Опыт выполнения проектов с использованием CALS-технологий в России 24

Заключение 30

Библиографический список 31

Введение

Авиастроение – это та отрасль машиностроения, которая постоянно развивается. Авиастроение сегодня – одна из наиболее науко- и капиталоемких отраслей машиностроения. Сейчас человечество живет в так называемом информационном обществе; цель информационных технологий состоит в ускорении процессов обработки информации, а, следовательно, – в разработке сверхновых машин, имеющих максимальную скорость и максимум удобств. Авиастроение является той областью, в которой используются только сверхновые информационные технологии. 

Современные условия характеризуются все  более жесткой конкуренцией на международном  рынке, повышением сложности и наукоемкости продукции, что ставит перед промышленниками и предпринимателями страны новые проблемы. К их числу относятся:

• критичность времени, требующегося для создания изделия и организации его продажи;
• снижение всех видов затрат, связанных с созданием и сопровождением изделия;
• повышение качества процессов проектирования и производства;
• обеспечение гибкого и надежного эксплуатационного обслуживания.

Действенным средством решения этих проблем  в последнее десятилетие выступают  новые информационные CALS-технологии сквозной поддержки сложной наукоемкой продукции на всех этапах ее жизненного цикла (ЖЦ) от маркетинга до утилизации. Базирующиеся на стандартизованном  едином электронном представлении данных и коллективном доступе к ним, эти технологии позволяют существенно упростить выполнение этапов ЖЦ продукта и повысить производительность труда, согласно западному опыту, примерно на 30%, автоматически обеспечить заданное качество продукции. 

Целью применения CALS-технологий, как инструмента организации и информационной поддержки всех участников создания, производства и пользования продуктом, является повышение эффективности их деятельности за счет ускорения процессов исследования и разработки продукции, придания изделию новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня сервиса в процессах ее эксплуатации и технического обслуживания.

Цель и задачи данной курсовой работы – проанализировать состояние современной авиастроительной промышленности, обосновать необходимость внедрения новых информационных технологий в авиастроение, изучить концепцию и механизм использования CALS-технологий, вскрыть проблемы в российском авиастроении и наметить основные пути их решения.

1. Современное авиастроение и ИТ

1. Обзор мирового авиастроения

Авиастроение, или авиационная промышленность, формировалось изначально как отрасль  военного характера и лишь позже  перешло на выпуск гражданских самолетов. Именно поэтому эта отрасль машиностроения является высокомилитаризированной, ее развитие определяется размером постоянных военных заказов государства и возможностями экспорта авиационной техники в большинство государств мира. Производство гражданских самолетов целиком зависит от поступления заказов на национальном и мировом рынках и может колебаться из года в год очень сильно. 

Высокая наукоемкость отрасли – результат особой сложности продукции отрасли. На разработку новых конструкций боевой и гражданской авиационной техники уходит от 5 до 10 лет. Задача достижения высокой эксплуатационной надежности продукции, обеспечение длительности использования самолетов (авиалайнеров до 20-30 лет) вызывает необходимость создания новых видов конструкционных материалов, совершенствования всех агрегатов авиационной техники. Это обусловило очень высокие расходы на научно-исследовательскую работу. Весь уровень расходов на конструирование и создание продукции авиастроения настолько велик, что его могут позволить себе только немногие фирмы нескольких промышленных государств мира. 

Высокая степень капиталоемкости авиастроения определяет и соответственно высокую монополизацию отрасли: в ведущих странах насчитывается лишь по нескольку (3 – 4) фирм этой отрасли.

Чрезвычайно жесткая конкуренция способствует слиянию даже крупных фирм внутри одной страны (Boeing и «Макдоннелл-Дуглас» в США) и фирм разных стран в Западной Европе (Airbus, объединившая авиационные фирмы Франции, Германии, Великобритании и Испании).

Самолето- и вертолетостроение являются одними из важнейших отраслей авиастроения. В настоящее время самолеты и вертолеты производят более 20 стран мира, однако их возможности производства неодинаковы как в изготовлении гражданской, так и, особенно, военной авиатехники. Крупные авиалайнеры на 100 – 400 пассажиров выпускают только США, объединенная фирма ведущих государств Западной Европы – Airbus, а также некоторые из государств СНГ (Россия, Узбекистан). Они же могут изготовлять супергрузовые транспортные самолеты. Эти самолеты с дальностью полета до 10 тыс. км и более предназначены обслуживать межконтинентальные авиалинии. Указанные государства и ряд других (Бразилия, Канада, КНР) производят лайнеры с числом пассажиров до 100 для внутриконтинентальных линий. 

От  уровня развития авиации и всей аэрокосмической промышленности зависит уровень развития общества в целом, а это значит, что развитие авиации влияет на:

• на экономику и проблемы недостатка природных ресурсов; 
• на состояние окружающей среды (экологию); 
• на уровень развития промышленности; 
• на всевозможные кризисы (энергетический кризис, экономический кризис, экологический кризис и др.); 
• на техническую и экономическую мощь государства и на другие повседневные проблемы. 

2. Достижения новых технологий в авиастроении

Последнее десятилетие ХХ века характеризуется  широкой компьютеризацией всех видов деятельности человечества: от решения традиционных интеллектуальных задач научного характера до автоматизации  производственной, торговой, коммерческой, банковской и других видов деятельности.

Этой  всеобщей тенденции способствовало появление и массовое применение персональных компьютеров, а также средств телекоммуникаций и вычислительных сетей, в том числе «всемирной паутины» – сети Интернет.

Стало ясно, что устоять в конкурентной борьбе смогут только те предприятия, которые будут применять в  своей деятельности современные  информационные технологии (ИТ). Именно ИТ наряду с прогрессивными технологиями материального производства позволяют существенно повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции при значительном сокращении сроков постановки на производство изделий, отвечающих запросам и ожиданиям потребителей.

Авиация, как часть аэрокосмической промышленности, использует самые лучшие достижения науки, самые новые технологии, самые передовые технические решения.

Процесс проектирования самолетов, вертолетов, летательных аппаратов включает решение следующих задач: 

• Определение облика летательного аппарата  – конфигурации; размеров; необходимых параметров для достижения заданных заказчиком характеристик. 
• Изготовление аэродинамически подобных моделей летательных аппаратов, макетов и стендов для экспериментальных исследований и апробирования проектировочных решений. 
• Выполнение технико-экономических исследований. 
• Выполнение инженерных расчетов (расчеты аэродинамики и динамики полета с учетом обеспечения необходимой устойчивости и управляемости летательного аппарата и др.). 
• Непосредственно сам процесс проектирования и другие важные работы и исследования.

Процесс проектирования летательных аппаратов разделяется на периоды, которые различаются задачами, характером выполняемых работ, технологией.

К ним  относятся: 

• предэскизное проектирование (разработка технического предложения); 
• эскизное проектирование; 
• техническое проектирование; 
• рабочее проектирование. 

Развитие  методов оптимизации, глобальное применение вычислительной техники и использование систем автоматизированного проектирования (САПР), параллельное проектирование конструкций и технологии их серийного изготовления, прогнозирование, стремление максимального снижения затрат и издержек производства и эксплуатации авиационной техники - сильно изменили весь процесс проектирования, подняли его на новый качественный уровень. 

Процесс проектирования превратился в системное  проектирование (системный анализ), где любая составляющая некоторым  образом влияет на все остальные  части и систему в целом. Т.е. создаются связи между тем, что  необходимо, и тем, что целесообразно  и технически возможно. Кроме того САПР позволяют: 

• стабилизировать сроки проектирования; 
• более качественно прорабатывать проектируемые варианты конструкции; 
• взять на себя рутинную работу; 
• выполнить численное моделирование; 
• провести численный эксперимент. 

Все это  позволяет снизить стоимость проектирования, и обеспечить достоверные и предсказуемые результаты и параметры авиационных машин.

Совершенствуясь эволюционно, за счет улучшений в аэродинамике, в материалах, в силовых установках и в энергетических установках (двигатели различного назначения, силовой привод, системы, узлы и агрегаты), в бортовом радиоэлектронном оборудовании (БРЭО), в новых технологиях возможности авиации и летательных аппаратов могут быть повышены на десятки процентов. 

С ростом размаха работ по созданию авиационной  техники увеличивается разница в уровне и возможностях авиационной индустрии в разных странах, уменьшается количество государств и фирм, способных разрабатывать дорогие самолеты (самолеты с большой скоростью полета, самолеты с большой дальностью полета, самолеты с большой взлетной массой, а также самолеты с другими высокими техническими параметрами).

2. CALS-технологии в авиастроении

3. Основные понятия

Последнее десятилетие ХХ века характеризуется  широкой компьютеризацией всех видов деятельности человечества: от решения традиционных интеллектуальных задач научного характера до автоматизации  производственной, торговой, коммерческой, банковской и других видов деятельности.

Этой  всеобщей тенденции способствовало появление и массовое применение персональных компьютеров, а также средств телекоммуникаций и вычислительных сетей, в том числе «всемирной паутины» – сети Интернет.

Эти факторы  сделали актуальной проблему развития и эффективного использования информационных ресурсов – как локальных, так  и общенациональных и даже глобальных. Уже в 80-е годы было осознано, что информационные ресурсы любой страны по стоимости соизмеримы и, быть может, превосходят стоимость природных, в том числе энергетических ресурсов.

Стало ясно, что устоять в конкурентной борьбе смогут только те предприятия, которые будут применять в  своей деятельности современные  информационные технологии (ИТ). Именно ИТ наряду с прогрессивными технологиями материального производства позволяют существенно повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции при значительном сокращении сроков постановки на производство изделий, отвечающих запросам и ожиданиям потребителей.

Однако  в тот же период было осознано, что  частичная, фрагментарная компьютеризация  отдельных видов производственной деятельности, будучи делом дорогостоящим, не оправдывает возлагаемых на нее  надежд. Это связано с тем, что  первые реализации ИТ представляли собой попытки внедрения качественно новых средств в традиционную технологическую среду.

Эти попытки  либо полностью отторгались, либо адаптировались к этой среде таким образом, что  эффект от их использования был невелик. Примерами таких попыток могут служить:

• многочисленные АСУ, роль которых сводилась к автоматизации простейших учетных и отчетных функций;
• конструкторские САПР (CAD – Computer Aided Design), заменявшие чертежную доску и кульман экраном дисплея;
• технологические САПР (CAM - Computer Aided Manufacturing), облегчавшие подготовку технологической документации и управляющих программ для станков с ЧПУ;
• автоматизированные системы инженерных расчетов (CAE - Computer Aided Engineering) и т.д.

Все эти  средства создавались на различных  вычислительных платформах, в различных  языковых средах и, как правило, были несовместимы между собой, что предопределяло их автономное использование с необходимостью многократной перекодировки подчас одной и той же информации для ввода ее в ту или иную систему. Помимо резкого возрастания объемов рутинного труда, это приводило к многочисленным ошибкам и, как следствие, к снижению эффективности систем.

Вместе  с тем, опыт, накапливавшийся в  процессе создания и разработки автономных систем, оказался полезным: он позволил осознать необходимость интеграции систем, реализующих различные ИТ, в единый комплекс, который в отечественной технической литературе получил название ИАСУ – (интегрированная автоматизированная система управления), а в англоязычной литературе – СIM (Computer Integrated Manufacturing).

Первоначально появление и внедрение ИАСУ (СIM) однозначно связывалось с высокоавтоматизированными производственными комплексами типа гибких автоматизированных производств и даже полностью автоматизированных предприятий. Однако дальнейшее развитие показало целесообразность внедрения ИАСУ на предприятиях с умеренным уровнем автоматизации технологических процессов. Существенным оказалось создание в рамках предприятия единого информационного пространства (ЕИП) или интегрированной информационной среды (ИИС), охватывающей все этапы жизненного цикла (ЖЦ) выпускаемой этим предприятием продукции.

Именно  идея ИИС и информационной интеграции стадий ЖЦ стала базовой при выработке подхода, получившего в США название CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support – непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла). Инициатором этого подхода и доведения его до уровня международных стандартов стало Министерство обороны США в связи с необходимостью повышения эффективности управления и сокращения затрат на информационное взаимодействие между государственными учреждениями и коммерческими предприятиями при поставках и в ходе последующей эксплуатации вооружений и военной техники.

В настоящее  время идея CALS сформировалась в целое  направление в области ИТ и оформилась в виде серии международных стандартов ISO, государственных стандартов США и нормативных документов Министерства обороны США.

В настоящее  время в мире действует более 25 национальных организаций, координирующих вопросы развития CALS-технологий, в том числе в США, Канаде, Японии, Великобритании, Германии, Швеции, Норвегии, Австралии, а также в рамках НАТО.

В России, хотя и с некоторым отставанием во времени от передовых индустриальных стран, начиная с середины 90-х годов, на CALS начинают обращать свое внимание специалисты различных отраслей промышленности.  Создан Межведомственный Промышленный Совет по вопросам CALS при Миноборонпроме РФ. Его основными целями являются:

• развитие российской индустриальной инфраструктуры по поддержке эффективных связей и взаимного обмена между предприятиями при реализации стратегии CALS;
• поддержка согласованных работ в области CALS по интеграции предприятий в целях повышения их эффективности и производительности;
• устранение возможных барьеров в процессе интеграции CALS-стандартов и технологий.

Одной из причин отставания в области CALS-технологий является отсутствие отечественной нормативной базы, регламентирующей основные принципы электронного ведения работ при проектировании, производстве, поставке и сервисном обслуживании изделия. Для организации и осуществления работ по стандартизации в области CALS-технологий (в соответствии с решением коллегии министерства экономики России) в рамках Госстандарта России в 1999 году создан Технический Комитет № 431 «CALS - технологии».  В рамках ТК № 431 действует  подкомитет № 2 «Представление данных и обмен данными об изделиях и процессах», организованный на базе НИЦ CALS-технологий «Прикладная логистика» и объединяющий специалистов ведущих отечественных предприятий. Работы по подготовке нормативных документов ведутся в соответствии с «Программой стандартизации в области CALS-технологий в 2000-2003 гг.», утвержденной Госстандартом России и рядом заинтересованных министерств и ведомств.

В настоящий  момент CALS понимается как глобальная стратегия повышения эффективности бизнес-процессов, выполняемых в ходе ЖЦ продукта за счет информационной интеграции и преемственности информации, порождаемой на всех этапах ЖЦ. Средствами реализации данной стратегии являются CALS-технологии, в основе которых лежит набор интегрированных информационных моделей: самого ЖЦ и выполняемых в его ходе бизнес-процессов, продукта,  производственной и эксплуатационной среды. Возможность совместного использования информации обеспечивается применением компьютерных сетей и стандартизацией форматов данных, обеспечивающей корректную интерпретацию информации.

Жизненный цикл продукта, как его определяет стандарт ISO 9004-1, – это совокупность процессов, выполняемых от момента  выявления потребностей общества в  определенной продукции до момента  удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта.

ЖЦ  продукта присуще большое разнообразие процессов. Наиболее известные: производственный процесс, процесс проектирования, процесс  закупок. Каждый из этих процессов, в свою очередь, состоит из технологических процессов и организационно-деловых процессов. Под технологическим процессом понимается часть производственного (или другого процесса), содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) последующему определению состояния предмета труда.

Под организационно-деловыми процессами понимаются процессы, связанные с взаимодействием людей (подразделений, организаций). Все процессы ЖЦ взаимосвязаны.

Для общей  характеристики этих процессов используется понятие «бизнес-процесс». Бизнес-процесс – совокупность технологических и организационно-деловых процессов, выполняемая целенаправленно в рамках заранее заданной организационной структуры.

В дословном  переводе аббревиатура CALS означает «непрерывность поставок продукции и поддержки  ее жизненного цикла». Первая часть  определения - «непрерывность поставок продукции» требует и подразумевает оптимизацию процессов взаимодействия заказчика и поставщика в ходе разработки, проектирования и производства сложной продукции, срок жизни которой, с учетом различных модернизаций, составляет десятки лет. Для обеспечения эффективности, а также сокращения затрат средств и времени, процесс взаимодействия заказчика и поставщика должен быть действительно непрерывным. Вторая часть определения CALS - «поддержка жизненного цикла» - заключается в оптимизации процессов обслуживания, ремонта, снабжения запасными частями и модернизации. Поскольку затраты на поддержку сложного наукоемкого изделия в работоспособном состоянии часто равны или превышают затраты на его приобретение, принципиальное сокращение «стоимости владения» обеспечивается инвестициями в создание системы поддержки ЖЦ.

Целью применения CALS-технологий, как инструмента организации и информационной поддержки всех участников создания, производства и пользования продуктом, является повышение эффективности их деятельности за счет ускорения процессов исследования и разработки продукции, придания изделию новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня сервиса в процессах ее эксплуатации и технического обслуживания.

4. Концептуальная модель CALS (ИПИ)

Как уже отмечалось, концепция и идеология CALS зародилась в недрах военно-промышленного комплекса США и затем была воспринята большинством ведущих стран Запада. В частности, эта концепция была полностью принята НАТО, что нашло свое отражение в выпущенном этой организацией документе, где основные положения CALS изложены достаточно полно и последовательно. На рис. 1 приведена схема, отражающая существо CALS.

Прежде чем перейти  к описанию этой схемы, имеет смысл  предложить русскоязычную формулировку понятия CALS. Такая формулировка может  выглядеть следующим образом: Информационная Поддержка процессов жизненного цикла Изделий (ИПИ)*. ИПИ – адекватный русскоязычный аналог понятия CALS, в связи с чем в дальнейшем эта аббревиатура будет использоваться вместо CALS, кроме тех случаев, когда будут описываться зарубежные стандарты и зарубежный опыт.

Рисунок 1 Концептуальная модель CALS

Согласно этой схеме основу, ядро ИПИ составляет ИИС (Интегрированная Информационная Среда предприятия), или ЕИП (Единое Информационное Пространство). ИИС как  совокупность распределенных баз данных, содержащих сведения об изделиях, производственной среде, ресурсах и процессах предприятия, обеспечивающая корректность, актуальность, сохранность и доступность данных тем субъектам производственно-хозяйственной деятельности, участвующим в осуществлении ЖЦ изделия. Все сведения в ИИС хранятся в виде информационных объектов. В ИИС действует единая система правил представления, хранения и обмена информацией.

В ИИС протекают информационные процессы, сопровождающие и поддерживающие ЖЦ изделия на всех его этапах. Здесь реализуется главный принцип ИПИ: информация, однажды возникшая на каком-либо этапе ЖЦ, сохраняется в ИИС и становится доступной всем участникам этого и других этапов (в соответствии с имеющимися у них правами пользования этой информацией). Это позволяет избежать дублирования, перекодировки и несанкционированных изменений данных, избежать связанных с этими процедурами ошибок и сократить затраты труда, времени и финансовых ресурсов.

В ИИС информация создается, преобразуется, хранится и передается от одного участника ЖЦ к другому  при помощи программных средств, объединенных на схеме (см. рис.1) в блок «Инструментарий». К их числу относятся:

• автоматизированные системы конструкторского и технологического проектирования (CAE/CAD/CAM);
• программные средства управления данными об изделии (изделиях) (PDM);
• автоматизированные системы планирования и управления производством и предприятием (MRP/ERP);
• программно-методические средства анализа логистический поддержки и ведения баз данных по результатам такого анализа (LSA/LSAR);
• программные средства управления потоками работ (WF);
• методология и программные средства моделирования и анализа бизнес-процессов (SADT) и др.

На рис.2 представлена функциональная модель ЖЦ изделия, отображающая информационные взаимосвязи процессов ЖЦ, ИПИ-технологий и соответствующего инструментария.

Рисунок 2 Функциональная модель ЖЦ изделия

Из схемы рис. 2 становится понятным, какие критерии определяют принадлежность конкретной информационной системы к классу ИПИ-систем:

• обязательное наличие на предприятии ИИС;
• системная реализация инвариантных принципов и технологий ИПИ;
• применение прикладных программных средств, изначально ориентированных на взаимодействие через ИИС;
• использование методов, правил и способов управления, изначально ориентированных на безбумажный обмен данными через ИИС;
• реализация принципов, технологий и процессов информационного взаимодействия в соответствии с требованиями международных и национальных стандартов (например, ISO 10303 и ГОСТ Р ИСО 10303).

Системы, не удовлетворяющие  перечисленным критериям, не следует  относить к классу ИПИ-систем. Такие системы обеспечивают лишь фрагментарную автоматизацию со всеми присущими этой стратегии недостатками.

Предметом CALS являются технологии информационной интеграции, то есть совместного использования и обмена информацией об изделии (продукте), среде и процессах, выполняемых в ходе жизненного цикла продукта.

Информационная  интеграция базируется на использовании:

• информационной модели ЖЦ продукта и выполняемых в его ходе бизнес-процессов;
• информационной модели продукта;
• информационной производственной и эксплуатационной среды.

Более подробная классификация информационных моделей и их связь со стадиями ЖЦ продукта приведена в табл. 1.

Таблица 1 – Классификация информационных моделей

Основой CALS является использование комплекса единых информационных моделей, стандартизация способов доступа к информации и ее корректной интерпретации, обеспечение безопасности информации, юридические вопросы совместного использования информации, использование на различных этапах ЖЦ автоматизированных программных систем (CAD/CAM/CAE, MRP/ERP, PDM и др.), позволяющих производить и обмениваться информацией в формате CALS.