Анализ возможных путей внедрения  концепции CL2M при разработке программных систем

Б.В. Соколов,
 зам. дир. по научн. раб., д.т.н., проф., sokol@iias.spb.su,
М.Ю. Охтилев,
вед.н.с.,  д.т.н., проф.,
А.И. Птушкин,
вед.н.с.,  , к.т.н., проф.,
СПИИРАН, г. Санкт-Петербург

В докладе проводится анализ принципиально новой концепции управления жизненным циклом изделий. Эта концепция в зарубежных странах получила название CL2M (Closed Loop Lifecycle Management — управление ЖЦ с обратной связью). В докладе показываются возможные пути реализации данной концепции применительно к процессам создания программных изделий. Для этого была разработана и реализована на практике соответствующая интеллектуальная информационная технология.

 

New concept of product life cycle management is analyzed in the paper. This concept is named Closed Loop Lifecycle Management (CL2M). New intellectual information technologies for program product design which is based on CL2M and proposed authors has realized in different areas.

 

Осознание отечественными и зарубежными научными школами особой актуальности решения проблем создания и внедрения новых поколений систем управления  жизненным циклом  изделий СУ ЖЦ ИзД (PLM систем) привело к необходимости проведения значительного количества фундаментальных и прикладных междисциплинарных исследований [1–5].

В качестве примера такого рода исследований можно привести международный проект PROMISE [6–7], в котором участвовали 22 организации из Евросоюза, Швейцарии, Японии, Австралии и США. Данный проект был успешно завершен в 2008 году. В результате выполнения этого проекта была предложена более совершенная технология управления ЖЦ, которая получила название CL2M (Closed Loop Lifecycle Management — управление ЖЦ с обратной связью). На русском языке в настоящее время, к сожалению, нет публикаций, посвященных изложению сущности этой новой технологии, являющейся естественным развитием PLM-технологии. Поэтому в докладе приводится более подробная информация об основных концептуальных положениях методологии управления ЖЦ, разработанной в проекте PROMISE. В данном проекте рассматриваются три фазы ЖЦ СТО: начальная (Beginning of life — BOL) — фаза создания, включающая в себя проектирование и производство; средняя (Middle of life — MOL), включающая в себя  применение (использование), техническое обслуживание и различные услуги, в том числе, ремонт; конечная (End of life — EOL), которая может характеризоваться различными сценариями: повторным использованием изделия после его модернизации, повторным использованием составных частей или материалов изделия после его разборки, применением новых материалов с улучшенными свойствами, передача (продажа) для использования по новому назначению или для уничтожения.

PROMISE фокусирует внимание на полном ЖЦ, но наибольший акцент делается на необходимости обеспечения обратной связи двух последних фаз (MOL и EOL) с первой фазой — BOL. Это вызвано следующими обстоятельствами: обмен информацией между этапами, входящими в состав BOL — проектированием и производством — осуществляется достаточно эффективно, благодаря таким интеллектуальным информационным системам как CAD/CAM. Системы PDM и KM (управления знаниями) также эффективно используются предприятиями промышленности и поставщиками; поток информации между BOL, MOL и EOL гораздо слабее. Для большинства технических изделий, особенно высокотехнологичных изделий, выработавших назначенный для них ресурс, бытовой электроники, транспортных средств, холодильников, стиральных машин и т. д. поток информации о них практически обрывается после поставки их потребителю, так как контур обратной связи от потребителей к разработчикам и производителям отсутствует.

В современных условиях в связи с постоянным изменением внешних условий компании пытаются найти новые пути создания привлекательности для потребителя выпускаемой ими продукции и за счет этого получить преимущество перед конкурентами. В прошлом веке первые шаги на пути создания изделия были нацелены на стоимость изделия, его надежность или время выхода на рынок. Достижение иных преимуществ на рынке не предусматривалось.

В настоящее время акцентируется внимание на следующем нововведении: изделие должно отличаться от других изделий на рынке, также надежных, доступных по цене и быстро выходящих на рынок. Управление полным ЖЦ изделия (в нашем случае СТО) является критическим элементом на пути удовлетворения нужд заказчика на протяжении всего ЖЦ без взвинчивания стоимости, снижения качества или задержки поставки. Способность промышленности выпустить не просто продукт,  а целостную систему «продукт + поддерживающие его сервисы» в настоящее время ограничена информационной брешью  между BOL и MOL/EOL.

Цель выполненного проекта PROMISE состояла в разработке нового поколения систем сбора, обработки и управления потоком информации о состоянии изделия в процессе его ЖЦ, а также в обеспечение непрерывного электронного преобразования данных и информации в знания и закрытие за счет этого информационной бреши между BOL и MOL/EOL [6–7].

Эта информация и знания, как показывает анализ, позволит всем участникам ЖЦ изделия (менеджерам, разработчикам, изготовителям, обслуживающему персоналу, персоналу ремонтных органов и др.) организовать управление состоянием изделия на любой стадии его ЖЦ, в любое время и в любом месте. Новое поколение PLM систем должна быть сопряжена с распределенными базами знаний. В связи с этим  предусматривается разработка и внедрение следующих элементов новой PLM системы [6–7]:

·      встраиваемых в изделие интеллектуальных информационных сенсоров и приборов (например, радиочастотных меток — RFID tags, приемников GPS, GSM сигналов), позволяющих осуществлять глобальное и локальное позиционирование изделий, получать и предварительно обрабатывать данные и информацию о состоянии изделия, а также сведения о необходимом объеме его обслуживания;

·      встраиваемых в изделие интеллектуальных информационных сенсоров для контроля технического состояния изделий (smart tags), обеспечивающих непрерывное накопление и обработку данных, информации и знаний о режимах функционирования изделия в течение его ЖЦ, а также сведений о степени удовлетворенности заказчика готовым изделием и создания на этой основе лучших, ориентированных на заказчика, устойчиво развивающихся изделий, процессов и услуг;

·      мобильных телекоммуникационных систем и средств для беспроводного считывания и передачи данных со встроенных в изделие интеллектуальные информационные сенсоров;

·      программного обеспечения для беспроводного Интернет соединения мобильных средств считывания информации с PLM системами в любом месте мира;

·      программного обеспечения, которое позволит с учетом разграничения доступа распределять данные, информацию и знания между субъектами управления в любое время и в любом месте мира. Этот модуль замыкает информационный контур между MOL/EOL и BOL.

По итогам выполнения проекта PROMISE всем участникам ЖЦ СТО предоставляется важное концептуальное бизнес-предложение: одновременно с созданием ценностей заботиться о преобразовании информации, собираемой на всех этапах ЖЦ, в знания, что позволит улучшить качество товаров и услуг, обеспечить эффективное и устойчивое развитие производства.

Основной результат проекта PROMISE, в конечном счете, заключается в разработке методологии замыкания информационных потоков о состоянии изделий на этапах MOL и EOL на разработчиков и изготовителей. Прерывание потока данных и информации об изделии прежде, чем оно закончит свой ЖЦ, не позволяло ранее использовать профессиональные опыт и знания специалистов по техническому обслуживанию, ремонту и рециклингу (повторному использованию материалов) при проектировании и производстве. Контуры материальных и информационных потоков, охватывающие все стадии ЖЦ изделия, построенные на основе исследований по проекту PROMISE, представлены на рисунке.

 

рис. Замкнутый контур управления ЖЦ (CL2M)

Методология проектирования PROMISE предусматривает, начиная с этапа концептуального проектирования, разработку проекта с учетом сохранения окружающей среды (Design-For-Environment — DFE), потребностей пользователя (Design for Use — DFU), производителя (Design-For-Manufacturing — DFM), сервисных органов (Design-For-Service — DFS) и других участников ЖЦ. Для ее реализации необходимо выполнение двух условий: возможность получения информации о состоянии изделия на любой стадии его ЖЦ и наличие каналов передачи этой информации разработчику и производителю. Только в этом случае появится возможность повышения конкурентоспособности изделия и его устойчивого существования на рынке.

Завершая обзор проекта PROMISE, отметим еще ряд его характерных положений, не отмеченных ранее:

·      сбор данных и информации в перспективных системах CL2M может осуществляться не только с датчиков, но и из других источников информации;

·      фильтрация и агрегирование исходных данных с целью получения информации, поддающейся интерпретации, преобразование ее в знания, необходимые для принятия решений или иной работы аналитического характера;

·      более глубокая интеграция персонала, процессов и информации, чем в PLM.

Целевая ориентация новой концепции CL2M — обеспечение принятия управленческих решений в течение ЖЦ изделия на основе знаний. Система управления ЖЦ изделием будет функционировать по следующей технологии:

Данные ®Информация®Знания®Решение®Действие®Данные

Методология CL2M расширяет область применения PLM до LM, т. е. до управления не только техническими изделиями, но и, любыми искусственными объектами, в том числе и организационными, например, такими как промышленность, здравоохранение, цепи поставок, технологии изготовления лекарств, продуктов питания и другими объектами. Она может быть также применена по отношению к людям, животным, инфраструктуре и услугам. Внедрение рассмотренной методологии в практику приведет к существенному изменению характеристик цепи создания ценности и пересмотру роли технического обслуживания и ремонта (ТОиР) в управлении ЖЦ  и подходов к его организации [2–5, 8–11].

Несмотря на то, что последние десятилетия концептуальные методологические основы организации ТОиР получили значительное развитие] негативный оттенок отношения к нему сохранился [3, 9]. ТОиР по-прежнему рассматриваются как вынужденная мера, направленная на предотвращение возникновения нежелательных ситуаций, вызванных отказами техники. Подразделения ТОиР считаются затратными подразделениями, не создающими прибыли. Однако если рассмотреть роль ТОиР с точки зрения управления ЖЦ, то обнаружится совершенно иная картина. Остановимся на данном положении более подробно.

Для реализации замкнутого производства необходимо управление ЖЦ продукции, цель которого — обеспечить в каждый заданный период времени: нахождение в требуемом состоянии изделия, которое соответствует требованиям пользователя; минимальную нагрузку на окружающую среду;  корпоративные интересы участников ЖЦ.

Существуют две причины, по которым необходимо управлять состоянием выпущенной продукции. Первая причина: изменение состояния изделия происходит вследствие повреждения или изнашивания. Вторая причина: изменение требований со стороны заказчика или общества. В обоих случаях первыми мероприятиями, которые должны быть рассмотрены, являются ТОиР и частичная модернизация, так как ТОиР способствуют снижению нагрузки на окружающую среду. Если эти мероприятия не дают нужный результат, то должна быть рассмотрена возможность полной модернизации продукции. Целесообразность производства новой продукции должна рассматриваться в последнюю очередь.

Таким образом, в современных условиях бизнес-модель замкнутого производства должна отражать деятельность предприятия не только как поставщика продукции, но и как поставщика услуг, связанных с управлением ЖЦ. При этом ТОиР может быть одной из основных услуг, связанных с управлением ЖЦ. В этом случае предприятие будут продавать не только продукцию, но и сопровождающие ее услуги. Снижая стоимость ТОиР, предприятие будет увеличивать свою прибыль.

Для совершенствования процесса управления состоянием находящихся в эксплуатации изделий и в развитие главной идеи CL2M — обеспечение принятия управленческих решений в течение ЖЦ изделия на основе глубоких знаний в Европейском Союзе в 2005–2009 гг. был выполнен другой (наряду с проектом PROMISE) комплекс исследований под общим названием DYNAMITE — Dynamic Decisions in Maintenance, направленный на разработку перспективного метода ТОиР, основанного на принятии решений о необходимости и объеме обслуживания (ремонта) изделия в реальном времени в процессе его работы [11].

В результате этих исследований были разработаны практические рекомендации по применению новых решений, предложенных в проекте PROMISE, и обеспечивающих более эффективный вклад ТОиР в выполнение таких задач, как создание условий для устойчивого развития промышленности и общества, сохранение ресурсов и снижение нагрузки на окружающую среду, управление безопасностью персонала и разнообразными рисками, повышение безотказности, готовности и конкурентоспособности оборудования.

Будущее ТОиР в проекте DYNAMITE связывается с широким применением электронного обслуживания (e-maintenance). E-maintenance должно отвечать на вопросы: какое оборудование и когда нуждается в обслуживании или/и ремонте, кто его должен выполнить, имеются ли в наличии и готовы ли для выполнения работ запасные части и необходимые руководства. В этом случае на встроенные в будущие изделия интеллектуальные информационные сенсоры и приборы, о которых речь шла ранее (например, радиочастотные метки, Smart tags, построенные на других физических принципах, приемники GPS, GSM сигналов и т. п.) можно будет наряду с функциями позиционирования, контроля и диагностики также возложить функции автоматического составления отчетов о состоянии соответствующей подсистемы контролируемого оборудования, в том числе, данных о всех возникающих неисправностях; об остатке ресурса изнашиваемых деталей; о ресурсе расходных материалов; загрузке оборудования и режиме его эксплуатации.

Ключевым элементом предлагаемого электронного обслуживания (e-maintenance) будет являться базирующееся на Web-технологиях дистанционное администрирование, мониторинг, тестирование, диагностика, прогнозирование состояния эксплуатируемых изделий, реконфигурация их структур, в случае возникновения аварийных и нештатных ситуаций и отсутствии необходимых резервов [10–11].

В докладе рассматривается возможные пути реализации новой концепции CL2M применительно к технологиям создания современных программных систем, обеспечивающих процессы мониторинга состояний сложных технических объектов (СТО).

Основным элементом автоматизации СУ ЖЦ программных изделий (ПрИ) в этом случае  является функциональный элемент этой системы, решающий задачу по сбору, обработке и анализу всех видов ИзИ для произвольного типа и количества пользователей ИО — специалистов групп анализа и управления.

Таким функциональным элементом в новой информационной технологии является типовой модуль автоматизации, объединяющий в себе систему поддержки интерфейса Человек-Машина и программное обеспечение операторских станций соответствующей информационной системы (ИС) на всех уровнях их функционирования в интересах соответствующих специалистов.

Основное достоинство предлагаемого типового модуля автоматизации состоит в том, что с его помощью создаются («программируются») уникальные модули автоматизации систем ИС самими технологами — практически без участия профессиональных программистов. Вся разработка состоит в отладке самого процесса контроля функционирования СТО, записанного на понятном пользователю языке, состоящем из примитивов, которыми он оперирует (а не на языке программирования Паскаль, Си, БЕЙСИК и т. п.).

При этом технологу необходимы такие основные примитивы для описания своей предметной области, которые включают, как правило, типовой набор функций, присущий всем проектам автоматизации процессов контроля СТО: экранные формы отображения значений измеряемых параметров типа стрелочных, полосковых или цифровых индикаторов, а также сигнализирующие панели различной формы и содержания; возможность создания архивов штатных и нештатных ситуаций, событий и поведения динамических процессов во времени (так называемые тренды), а также полное или выборочное сохранение измеряемых параметров — по времени или по условию; упрощенный, адаптированный к прикладной предметной области язык для реализации алгоритмов обработки и анализа информации, математических и логических вычислений; средства документирования как самих алгоритмов обработки и анализа информации, так и различных предусмотренных форм представления результатов анализа (в алфавитно-цифровом, графическом виде, в виде диаграмм и т. п.); ядро или монитор реального времени, который обеспечивает детерминизм поведения ИС или, иными словами, предсказуемое время отклика на внешние события; драйверы управления различного рода внешним оборудованием; средства, реализующие сетевые функции; средства защиты от несанкционированного доступа в систему; многооконный графический интерфейс и другие очевидные функции такие, как импорт изображений, создание собственных библиотек алгоритмов, динамических объектов, элементов мнемосхем.

Использование разработанного типового модуля автоматизации предполагает наличие 3-х основных этапов работы конечного пользователя: формирование статического изображения рабочего стола (окна) — фон, мнемосхема контролируемого процесса или системы — в виде двух или трехмерных (2D/3D) изображений/сцен и т. п.; формирование динамических объектов рабочего стола — перечень панелей (окон), на которые отображаются происходящие события в текстовом или графическом видах (2D/3D); описание алгоритма взаимодействия разрабатываемой системы между динамическими объектами и между входными/выходными каналами поступления измерительной и проанализированной информации.

Разработанная интеллектуальная информационная технология (ИИТ) и соответствующая инструментальная среда, ее поддерживающая, как показывает опыт их практической реализации, обеспечивают реализацию ключевой идеи новой концепции CL2M, а именно, гибкость в использовании и модернизации (модификации) созданных ПрИ [12]. Междисциплинарные исследования по рассматриваемой тематике проводились при финансовой поддержке РФФИ (гранты 10-07-00311, 10-08-90027, 09-07-00066, 08-08-00403, 09-07-11004), ОНИТ РАН (проект № 2.3).

Литература

1.   Life-Cyrcle Management: State of the art theory and practice//International Journal of life cyrcle assessment, v.7, №6, 2002.

2.   Кульга К. С. Автоматизация технической подготовки и управления производством на основе PLM — системы / К.С. Кульга. — М.: Машиностроение, 2008. 256 с.

3.   Стародубов В. А. Управление жизненным циклом изделий, от концепции до реализации. СПб.: ЗАО ”Стерлинг Групп СПб”, 2006. 120 с.

4.   Соломенцев Ю. М. Современное автоматизированное производство // Вестник МГТУ “Станкин”, 2008. №4, с. 125–132.

5.   Колчин А. Ф., Овсянников М. В., Стрекалов А. Ф. и др. Управление жизненным циклом продукции. М.: Анахарсис, 2002. 304 с.

6.   Product lifecycle management and information tracking using smart embedded systems http://www.promise.no/

7.   Takata S., Kimura F., van Houten F.J.A.M., Westkamper E., Shpitalni M., Ceglarek D., Lee J. Maintenance: Changing Role in Life Cycle Management // CIRP annals. 2004, vol. 53, no2. P. 643–655. 

8.   Moubray J. Reliability-centered maintenance. N.Y.: Industrial Press Inc, 2000. 420 p.

9.   Pride Alan. Reliability-centered maintenance (RCM) // http://www.wbdg.org/design/rcm/php

10.   Risk Based Inspection and Maintenance procedures for European industry (RIMAP). Terminology list. –The RIMAP Consortium. 2004. 26 p.

11.   DynaWeb is an e-maintenance solution to future sustainable industrial and societal challenges // http://dynamite.vtt.fi

12.   Охтилев М. Ю., Соколов Б. В., Юсупов Р. М. Интеллектуальные информационные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов. М.: Наука, 2006. 410 с.