| Date post: | 26-Aug-2018 |
| Category: |
Documents |
| Upload: | duongkhanh |
| View: | 221 times |
| Download: | 0 times |
MACHINES,
MATERIALS 2014th11
TECHNOLOGIES,
INTERNATIONAL CONGRESS
PROCEEDINGSVOLUME 4:
SIMPOSIUM “INDUSTRIAL INFORMATIC”
SIMPOSIUM “ERGONOMICS & DESIGN”
SIMPOSIUM “MANAGENENT”
4
Organized by
SCIENTIFIC-TECHNICAL UNION OF MECHANICAL ENGINEERING
17 - 20 SEPTEMBER 2014
VARNA, BULGARIA
IS
SN
1
31
0-3
94
6 (1
4/
16
3)
IS
SN
1
31
0-3
94
6 (1
4/
16
3)
S C I E N T I F I C P R O C E E D I N G S OF THE SCIENTIFIC-TECHNICAL UNION OF MECHANICAL ENGINEERING
Year XXII Volume 14/163 SEPTEMBER 2014
XI INTERNATIONAL CONGRESS MMAACCHHIINNEESS,, TTEECCHHNNOOLLООGGIIEESS,,
MMAATTEERRIIAALLSS 22001144 September 17 – 20 2014 VARNA, BULGARIA
XI МЕЖДУНАРОДЕН КОНГРЕС ""ММААШШИИННИИ,, ТТЕЕХХННООЛЛООГГИИИИ,,
ММААТТЕЕРРИИААЛЛИИ"" 22001144 17– 20 СЕПТЕМВИ 2014, ВАРНА, БЪЛГАРИЯ
VOLUME 4 ТОМ SIMPOSIUM “INDUSTRIAL INFORMATIC” SIMPOSIUM “ERGONOMICS & DESIGN”
SIMPOSIUM “MANAGENENT”
ISSN 1310-3946
CONTENTS СЪЗДАВАНЕ НА IEC 61499-БАЗИРАНО ПРИЛОЖЕНИЕ ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА СОРТИРАЩАТА СТАНЦИЯ FESTO MPS SORTING Христо Карамишев ................................................................................................................................................................................................. 3 COMBINED APPROACH FOR MODELING OF MANUFACTURING EXECUTION SYSTEMS Assoc. Prof. Dr. Eng. Antonova I. D. ....................................................................................................................................................................... 7 ПОДХОД ЗА ГЕНЕРИРАНЕ НА РАБОТНАТА ЗОНА НА ДЕЛТА РОБОТ С ШЕСТ СТЕПЕНИ НА СВОБОДА Еделвайс Черчеланов, Христо Карамишев, Георги Попов ............................................................................................................................. 11 ПОДХОД ЗА ПРЕСМЯТАНЕ НА ПОЗИЦИОНИРАЩИТЕ ВЪРТЯЩИ МОМЕН-ТИ НА ДЕЛТА РОБОТ ЧРЕЗ СОФТУЕРНИЯ ПРОДУКТ MSC ADAMS Христо Карамишев, Еделвайс Черчеланов, Георги Попов ............................................................................................................................. 15 ИДЕНТИФИКАЦИЯ НА ПОТРЕБИТЕЛИТЕ ЧРЕЗ БИОМЕТРИЧНИТЕ ПАРАМЕТРИ НА ДИНАМИЧНИТЕ ИМ ПОДПИСИ M.Sc. Nabotov, Y. PhD., Assoc. Prof. Atanassov A. ............................................................................................................................................. 19 СЕМАНТИЧНИ МЕТОДИ ЗА ОПЕРАТИВНА СЪВМЕСТИМОСТ НА ПРЕДПРИЯТИЯТА SEMANTICS METHODS FOR INTEROPERABILITY OF ENTERPRISES гл. ас. Гочева Д. Г., проф. д-р Бачкова И. А. ..................................................................................................................................................... 23 WEB-BASED SYSTEM FOR MAILPIECE DIAGNOSTICS INTENDED TO USPS Assoc. Prof. Atanassov A. ...................................................................................................................................................................................... 27 INTELLIGENT DECISION-MAKING FOR ENERGY AND ECONOMIC EFFICIENCY OF INNOVATIVE MANUFACTURING PROCESSES BASED ON MULTI-ATTRIBUTE KEY PERFORMANCE INDICATORS M.Sc. Grzelak D., Dipl.-Wirt.-Inf. Freund R., Dr. Wiemer H., Prof. Großmann K. ............................................................................................. 31 FEASIBILITY CRITERIA COMMERCIAL IMPLEMENTATION OF NEW TECHNOLOGIES Топ-менеджер Ускова И., Топ-менеджер. Чекунова-Томашева Н. ................................................................................................................. 35 ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ В СИСТЕМЕ ПЛАНИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Ph.D, assoc. prof. Mitin S., Dr. Sc., prof. Bochkarev P. Ph.D, assoc. prof. Bokova L. ......................................................................................... 38 COMPARISON BETWEEN PROJECT MANAGEMENT AND SOFTWARE PROJECT MANAGEMENT M.Sc. Ivanova Milka ............................................................................................................................................................................................. 42 ПРОБЛЕМИ ПРИ ОРТОГОНАЛНОТО ПРОЕКТИРАНЕ НА ВЗАИМНО ПРЕСИЧАЩИ СЕ ЦИЛИНДРИЧНИ ПОВЪРХНИНИ Аsst. Prof. Tsoneva Zoya PhD .............................................................................................................................................................................. 46 СИНЕРГИЧНОСТ НА СИСТЕМАТА ИЗОБРАЗИТЕЛНИ МЕТОДИ И ТЕХНИКИ В ДИЗАЙНА Assoc. prof. Evtimova M. ....................................................................................................................................................................................... 50 RISK MANAGEMENT IN INDUSTRIAL ENTERPRISES Assos.Prof. Toni Mihova , PhD, Assos.Prof.Valentina Nikolova – Alexieva, PhD., Assistant Prof. Tania Gigova ................................................ 52 RAPID PROTOTYPING – DEFINITION OF TERMS AND HOW TO APPLY DURING A STUDENT PROJECT Dipl.-Ing. Pointner A.,BSc; Dipl.-Ing. Schnöll H.P.; Dipl.-Ing. Friessnig M.,BSc; Heinzle P., BSc. ................................................................... 56 CREATING AND RESEARCHING SUSTAINABLE DESIGN OF CORRUGATED CARDBOARD FURNITURE WITH ADVANCED TECHNOLOGICAL MEANS Phd Tihomir Dovramadjiev, Prof. Phd Plamen Bratanov, Phd Kremena Cankova, Phd Ginka Jecheva ............................................................. 59
СЪЗДАВАНЕ НА IEC 61499-БАЗИРАНО ПРИЛОЖЕНИЕ ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА СОРТИРАЩАТА СТАНЦИЯ FESTO MPS SORTING
Христо Карамишев Технически Университет – София, МТФ, България
Abstract: The report aims to present the development of IEC 61499-based application for control of FESTO sorting station. The model is part of a system model, which has been developed and implemented on the station located in TU-Sofia, at the Department of “Technology of Machine Tools and Manufacturing” using the controller Netmaster of Elsist.
Keywords: IEC 61499, APPLICATION, FESTO MPS SORTING STATION
1. Увод Съвременните производствени и индустриални системи
трябва да реагират в реално време и бързо да се адаптират и пренастроят за изпълнение на изискванията на настоящия динамичен пазар [1]. Ето защо е подходящо производствените системи да се изграждат с реконфигурираща се структура, както на ниво машини, така и на ниво управление [2]. За разработването на реконфигуриращо се управление трябва да има промяна в управлението, изпълнявано от програмируеми контролери – от управление с централизирана архитектура в управление с разпределена архитектура [3].
С цел осигуряване реконфигурация на управлението е предвидено използването на програмируем логически контролер Netmaster II на италианската фирма Elsist [4], който е Java-базиран и дава възможност за стартиране на IEC-61499 системи за управление [5]. Той се използва за моделиране и изпълнение на разпределени автоматизирани системи [6].
Системите за управление, базирани на стандарта IEC-61499, ще се внедряват тепърва и в нови области, като логистичните складове, тъй като едни от основните направления в управлението на движения базирани на стандарта са транспорт, разпределение, сортиране и съхранение на детайли и изделия.
Цел на доклада е да представи подробности по изграждане на IEC 61499-базирано приложение за управление на сортираща станция Festo MPS Sorting. Приложението е част от процеса на цялостно изграждане на системата за управление на станцията с използване на референтната архитектура и модели на стандарта IEC 61499. В следващия раздел на доклада е представено кратко описание на някои от референтните модели, като моделът на основен функционален блок (ФБ), както и модел на приложение. В раздел 3 е представено разработеното приложение, което се базира на предварително създадени основни функционални блокове, съставен ФБ, както и събитийни ФБ моделиращи различни функции по управлението на сортиращата станция.
2. Референтни модели дефинирани в стандарта IEC 61499
Стандартът IEC 61499 дефинира следните базови референтни модели, чрез които може да се създават разпределени системи за управление: модел на система, модел на устройство, модел на ресурс, модел на функционален блок, модел на приложение и мениджмънт модел.
Основният функционален блок може да се представи чрез графичната фигура показана на фиг. 1, която е съставена от т. нар. глава и тяло. Към главата са включени следните елементи: входове и изходи за събитията, както и граф за изпълнение на
управлението (ГИУ). Той контролира работата на блока, като в зависимост от настъпило входно събитие може да се активира изпълнение на съответстващ алгоритъм и се генерира изходно събитие [7]. Тялото на основния ФБ може да се представи чрез интерфейс от входове и изходи за данни, както и вътрешни и невидими за блока алгоритми и вътрешни данни. Входните и изходните събития и данни, които имат зависимост (отношение) помежду си имат създадени комуникационни връзки. По такъв начин се активира дадено събитие. Например при постъпване на данна на вход 1 се активира събитието, което е на входа за събития 1.
Фиг.1: IEC 61499-базиран модел на основен ФБ [7]
Друг модел на ФБ е този на съставен функционален блок.
Той е изграден от мрежа от ФБ и се управлява само събитийно, като тук отсъства графа за изпълнение на управлението [7].
Моделът на IEC-61499 базираното приложение се състои от мрежа от функционални блокове (основни и интерфейсни ФБ за услуги) или подприложения и техните параметри. Изводите на приложението представят информационни връзки (за данни) и събитийни връзки. Подприложенията представляват екземп-ляри от тип подприложение, които подобно на приложенията се състоят от мрежа от ФБ, като свойствата им включват тези на приложенията и на съставните ФБ. Едно приложение може да се разпределя между няколко ресурса в едно или няколко устройства [8], както е показано на фиг. 2. Ресурсът използва причинно-следствените връзки, посочени в приложението, за да се определи най-подходящите отговори за събития, които могат да възникнат от комуникационния или процесния интерфейс или от други функции на ресурса [10]. Тези отговори могат да включват: а) планиране и изпълнение на алгоритми, б) промяна на променливи, в) Генериране на допълнителни събития, д) взаимодействия с комуникационния и процесния интерфейс.
3
Фиг.2: Модел на IEC 61499-приложение [9]
3. Сензори и изпълнителни механизми на сортираща станция Festo MPS Sorting
Сортиращата станция Festo MPS Sorting (фиг. 3) включва следните основни компоненти и елементи:
• Пулт за управление (1);
• Количка (2);
• Профилна плоча (3);
• Конвейерен модул (4);
• Магазинен модул (5);
• Спиращ модул (6);
• Сортиращи модули (7, 8);
Фиг.3: Сортираща станция Festo MPS Sorting [11]
• Сензори (а);
• Зона за определяне типа на детайлите (б);
• Входна позиция за постъпване на детайли върху лентата на конвейера (в).
Функциите, които се реализират на сортиращата станция са следните: • Дефиниране на типа на детайлите; • Транспортиране на детайлите;
• Сортиране на детайлите според типа им. В табл.1 са представени сензорите на сортиращата станция.
Табл. 1: Сензори, вградени в сортираща станция FESTO
№ Сензор Работно означение
Входове на
станцията
Тип и предназначение на
сензора
1. PART_AV
S1 I0 оптичен - установява постъпил детайл (Д) на лентата на конвейра
2. B2 S2 I1 индуктивен -установява метализираните детайли
3. B3 S3 I2 оптичен -установява цвета на нечерни детайли
4. B4 S4 I3 оптичен - за установяване запълването на магазинния модул
5. 1В1 S5 I4 индуктивен - горно положение на буталото на А2
6. 1В2 S6 I5 индуктивен - долно положение на буталото на А2
7. 2В1 S7 I6 индуктивен - горно положение на буталото на А3
8. 2В2 S8 I7 индуктивен - долно положение на буталото на А3
В табл.2 са представени изпълнителните механизми на сортиращата станция на Festo. В станцията е вграден един постояннотоков електромотор за задвижване на лентата на конвейерния модул. Другите три изпълнителни механизми са пневмоуправляеми.
Табл.2: Изпълнителни механизми на сортираща станция Festo
№ Означение на FESTO
Работно означение
Изходи на станцията
Изпълнителен механизъм
1. М1 A1 О0 Електромотор на конвейера
2. 1М1 A2 О1 Първи сортиращ модул
3. 2М1 A3 О2 Втори сортиращ модул
4. 3М1 A4 О3 Спиращ модул
4. IEC 61499-приложение за управление на сортиращата станция Festo MPS Sorting
В приложението за управление на сортираща станция Festo MPS Sorting, дадено на фиг. 4, са включени функционалните блокове за управление на конвейера и сортиращия модул, разгледани подробно в [12, 13]. Последователността на изпълнение на приложението е следната:
4
1. Постъпване на детайл върху станцията При постъпване на детайл (Д) върху конвейера на
станцията, сигнал от сензора S1 (PART_AV) постъпва в събитиен вход WP_Available на ФБ за управление на конвейера “FESTO_CONV_CTRL”.
2. Включване на конвейера Генерира се изходно събитие Run_Conv на блока
“FESTO_CONV_CTRL”. Този сигнал се подава към електромотора на конвейера А1 (М1) за включването му. Адресът на мотора А1 на станцията е О0.
3. Достигане на детайла в зона за дефиниране на типа му Детайлът се премества в зоната за определяне на типа му.
Спиращият модул А4 в нормалното си състояние е включен и задържа детайла в позицията за разпознаването му.
4. Дефиниране на типа на детайла Детайлите, които са предвидени за сортиране са три типа –
червен, черен и метализиран. В зависимост от постъпилия детайл върху лентата, при дефинирането му има следните случаи:
а) наличие на метализиран детайл При поява на детайл тип „метализиран“, индуктивният
сензор S2 (В2) създава сигнал, който постъпва на събитиен вход “Metallic_WP” на ФБ за управление на сортиращия модул “FESTO_SORT_CTRL”.
б) наличие на червен (нечерен) детайл При поява на детайл тип „червен“, сензор S3 (В3) създава
сигнал, който постъпва на събитиен вход “WP_not_Black” на ФБ за управление на сортиращия модул “FESTO_SORT_CTRL”.
в) наличие на черен детайл При поява на детайл тип „черен“, сензорите S2 и S3 не
създават сигнал. При определяне на типа на детайла настъпва входно
събитие WP_Defined на ФБ за управление на конвейера “FESTO_CONV_CTRL”.
5. Пропускане на детайла След дефиниране на типа на детайла, спиращият механизъм
го освобождава и чрез лентата на конвейера се премества към сортиращия модул. За пропускането на детайла се изпълняват следните дейстия:
• стопиращ механизъм за освобождаване на детайла и
• включва се електромотор М1 за придвижване на детайла към магазинния модул.
Фиг.5: Съвместна работа на обработваща и сортираща станция на Festo, налични в кат. ТМММ, МТФ, ТУ-София – сортиране на детайл тип „червен“
6. Сортиране на детайлите В зависимост от типа на детайла постъпил върху конвейера
и дефиниран от сензорите на станцията, в настоящата работа е предвиден следния сценарии:
при постъпване на червен детайл се включва първи сортиращ модул А2 и детайла се сортира в първи улей (фиг. 5)
• при постъпване на метализиран детайл се включва втори сортиращ модул А3 и детайла се сортира във втори улей (фиг. 6);
Фиг.6: Сортиране на детайл тип „метализиран“
• при постъпване на детайл тип „черен“ сортиращите модули не се включват и детайла постъпва в последния трети улей (фиг. 7).
Фиг.7: Сортиране на детайл тип „черен“
5. Заключение Стандартът IEC-61499 дефинира основните понятия,
референтна архитектура и модели за разработка на разпределени системи за управление. Едно IEC-61499 базирано приложение може да бъде разпределяно между няколко ресурса и устройства. В доклада e направен кратък преглед на модели на основен функционален блок и приложение, дефинирани в стандарта IEC-61499. Разгледани са сензорите и изпълнителните механизми на сортираща станция Festo MPS Sorting. Създадено е IEC-61499 базирано приложение за управление на сортираща станция Festo MPS Sorting.
Разработенето приложение за управление на сортиращата станция може да бъде имплементирано и е в основата на моделирането на използваните изчислителни ресурси под формата на модел на ресурс и на хардуерно устройство за управление на станцията, за чиито цели е използван контролера Netmaster II на Elsist, чрез който могат да се стартират IEC-61499 модели, разработени в средата на fbdk.
5
6. Литература 1. Sardesai A., O. Mazharullah, V. Vyatkin, Reconfiguration of
Mechatronic Systems Enabled by IEC 61499 Function Blocks.
2. Koren, Y., Heisel, U., Jovane, F., Moriwaki, T., Pritchow, G., Van Brussel, H., Ulsoy, A.G., “Reconfigurable Manufacturing Systems,” CIRP Annals, 1999, Vol. 48, No. 2
3. Vyatkin V., J. Christensen, J. L. M. Lastra, F. Auinger, OOONEIDA: An Open, Object-Oriented kNowledge Economy for Intelligent Distributed Automation.
4. Java-базиран контролер “Netmaster II”, available: http://www.elsist.com, 2014.
5. IEC 61499-1, Function Blocks for Industrial-Process Measurement and Control Systems – Part 1: Architecture, 2003.
6. Vyatkin V., IEC 61499 Function Blocks for Embedded and Distributed Control Systems Design, Second Edition, ISBN 978-1-936007-93-6, 2012.
7. Preuße S., D. Missal, Ch. Gerber, M. Hirsch, H.-M. Hanisch – On the Use of Model-Based IEC 61499 Controller Design, International journal of discrete event control systems, vol. 1, no. 1, march 2010.
8. Карамишев Хр. – Методология за изграждане, управление и диагностика на реконфигуриращи се металорежещи машини, базирани на стандарта IEC 61499, дисертация за
присъждане на образователна и научна степен „доктор”, 2013, 228 стр.
9. Lewis R, Modelling Control Systems using IEC 61499 – Applying function blocks to distributed systems, “The Institution of Electrical Engineers”, London, United Kingdom, 2001.
10. Карамишев Хр., Г. Попов, И. Бачкова, Създаване на IEC 61499 базиран ресурс за управление на обработваща станция S-BE-M на FESTO, Автоматика и информатика’12, 03-05 октомври, София, 2012, стр. 108-111.
11. FESTO, Bulgaria, Official website, http://www.festo.bg
12. Карамишев Хр., Г. Попов, И. Бачкова – ІEC 61499 базиран модел за управление на конвейерен модул на сортираща станция FESTO MPS SORTING, X междуна-роден конгрес „Машини, Технологии, Материали“ MTM’13, 18 - 20 септември, 2013, Варна, Сборник с доклади, том 3, стр. 3-6.
13. Карамишев Хр., И. Бачкова, Г. Попов – Разработване на ІEC 61499 базиран мо-дел за управление на разпределителен модул за сортираща станция FESTO MPS SORTING, X Международен Конгрес „Машини, Технологии, Материали“ MTM’13, 18 - 20 септември, 2013, Варна, Сборник с доклади, том 3, стр. 7-10.
Фиг.4: IEC 61499-базирано приложение за управление на сортираща станция Festo MPS Sorting
6
COMBINED APPROACH FOR MODELING OF MANUFACTURING EXECUTION SYSTEMS
КОМБИНИРАН ПОДХОД ЗА МОДЕЛИРАНЕ НА СИСТЕМИ ЗА ОПЕРАТИВНО УПРАВЛЕНИЕ НА
ПРОИЗВОДСТВОТО
Assoc. Prof. Dr. Eng. Antonova I. D. Dept. of Industrial Automation, University of Chemical Technology and Metallurgy
Bul. Kl. Ohridski 8, Sofia, Bulgaria
Abstract: For successful and efficient development of unified modeling framework and software process model (SPM) for MES a new approach is needed. In this paper a modeling framework and SPM that integrates UML profile for system engineering SysML, ANSI/ISA-S95 standard and MES-ML modeling language for MES modeling and specification is presented. The proposed approach is illustrated with a real industrial Pick and Place Unit. Finally some conclusions are made.
Keywords: MES, UML, SysML, ANSI/ISA-S95, MES-ML
1. Introduction Manufacturing systems are becoming more and more complex
and there are many working groups whose research activities are directed in finding new modeling approaches for managing this complexity and for development of software process model (SPM). MES are combined, information, process-oriented and event and time activated software systems which main purpose is to link the automation layer to business planning and logical layer (ERP) [1]. One of the major challenges facing manufacturing today is ability to accurately express the information from multiple disciplines - mechanical, electrical and software engineering used of Manufacturing Execution Systems (MES). Another challenge is connected with the development of unified modeling framework for modeling of the important views of MES components using different modeling languages and standards.
The engineering and specification of MES is an interdisciplinary process which integration requires a modeling language able to represent software, hardware and their interactions. The rapid progress of computer technologies leads the possibilities for development of new methodologies, methods and approaches suitable for development of software and hardware in industrial systems. Some of the most promising and challenging approaches are these of Model Driven Development (MDD) and Model Driven Engineering (MDE) [2], where the systems are presented as models that conform to meta-models, and the model transformations are used to manipulate the various representations. Model Driven Architecture (MDA) [3] is a remarkable MDD initiative of Object Management Group (OMG), consisting in transformation of different platform independent models towards executable applications. In the core of MDA are the open standards - UML, MOF, XMI, etc. UML [4] does not specify a methodology for model driven software or system development but aims to provide an integrated modeling framework, covering structural, functional and behavior descriptions.
The currently available MES, based on traditional approaches, have monolithic architecture, are not flexible enough and have a limited scope. Due to the difficulties in their configuration and adaptation to specific needs, they do not meet the requirements of modern industry. The main trend to overcome these shortcomings is the use of new, advanced software process model (SPM) for MES development.
The main aim of the proposed paper is to suggest an approach for development of unified modeling framework and SPM for development of the important views of MES components and coupling their established modeling notations, based on the combined use of UML profile - SysML and ANSI/ISA-S95 standard models.
The paper is organized in 4 parts. After the introduction, in part 2 the related work about existing approaches for development of MES is discussed. Part 3 of the paper presents the proposed approach for development of SPM for MES is described. A case study concerning an application of the suggested approach for a real industrial unit is presented in part 4. Finally some conclusions are made.
2. Related work MES engineering is an interdisciplinary challenge and requires
cooperation between plant engineers, MES engineers, plant manager, production manager, IT engineers, solution developer, etc. The development and implementation of MES is a difficult task and the main challenges facing the field of MES are associated with the need of unified modeling framework and SPM that can be used to represent and execute such type of systems. The modeling techniques in the field of MES can be categorized in three basic groups – using of standard models, terminology and consistent set of concepts provided by ANSI/ISA-S95 standard [1, 5, 6]; using of MDE and MDA based approaches [2, 3, 4, 7] and set of approaches based on MES process modeling [8, 9].
2.1. Approaches using ANSI/ISA-S95
ANSI/ISA-S95 standard provides standard models, terminology and a consistent set of concepts for defining the interfaces between an enterprise’s business systems and its manufacturing control systems, and the activities of manufacturing operations management [1]. The suggested functional enterprise-control model is composed of 12 classes of different set of functions as shown in fig. 1. The information flows between the different functions are defined and categorized in three main areas: information required producing a product, information about the capability to produce a product and information about actual production of the product. A general activity model for all these categories is proposed, with the purpose to identify all possible data flows within manufacturing operations. As shown in fig. 1, eight main activities are defined: detailed scheduling, dispatching, resource management, tracking, definition management, data collection, execution management and analysis.
The object models of these functions are depicted using the Unified Modeling Language (UML) notational methodology. An extended approach based on ANSI/ISA-S95 series of standards integrates ontologies in order to achieve interoperability of the internal and external systems.
2.2. MDE and MDA based approaches
The UML [4] as a general purpose modeling language and an open standard supports the MDE and MDA. It does not specify a methodology for software or system design but aims to provide an integrated modeling framework, covering structural, functional and behavior descriptions. The UML notations support the development
7
of various diagrams that reflect different aspects of the system in order to capture the full complexity in the phases of detailed analysis and system design. Different object-oriented approaches based on UML and its profile for system engineering SysML [10] for development of control systems, which are applicable in different industry areas, are investigated. Detailed description and analysis of the different suggestions may be found in [11, 12]. The approach for MES modeling, based on SysML provides either an interaction between software components of MES and software and hardware components of the manufacturing system or possibilities for abstract and detailed modeling of MES activities.
Fig.1: Manufacturing operations management model [1]
2.3. Approaches using MES process modeling
The modeling techniques in this group can be categorized into three sub-groups: approaches for MES process modeling using traditional process modeling languages, approaches for MES process modeling using process decomposition and approaches for MES process modeling using hybrid techniques. Various modeling languages and notations are used for modeling of interdisciplinary processes in MES, such as Business Process Modeling Notation (BPMN), Business Process Execution Language (BPEL), and SysML. The BPMN standard offers a number of structural elements, which are missing in other technologies and the information for MES specification is spared among multiple co-workers who have different view for technical and business process, know different details about the processes and have different requirements. BPMN is insufficient for modeling of complex systems but enables to present MES system as a collection of separate processes (which represent the MES functions), and so it is possible to model these processes separately under one large model [13, 14].
In [15] M. Witsch and B. Vogel-Heuser suggest a modeling framework that integrates the different important views for MES specification by coupling their established modeling notations. The main contribution of this framework is the integration of a technical system model, a production process model and an MES functional model with their interconnections and dependencies by a formal link model. MES-ML proposes a graphical MES modeling language. The technical system model represents the static technical systems that perform MES functions. This model either could be on the abstraction level of an entire plant, or detailed to atomic function units depending on the needs. The second model is the production process model, which represents the manufacturing systems in MES. The authors propose to use UML activity diagram or flow chart as the modeling notation.
3. Short description of suggested approach The existing modeling approaches in the area of MES are not
sufficient to satisfy the users and system requirements and for development of the important views of MES components. MES are
not flexible enough; they have a limited scope and monolithic architecture and may not be reused in new manufacturing applications.
The success of UML and SysML in unifying many different object-oriented approaches and the graphical modeling language support of MES-ML to the required engineering process of MES led to the idea of their combined use for development of unified modeling framework and software process model for MES components. Supplementary a separation of functions/activities of business processes from production processes by using of ANSI/ISA-S95 standard models and terminology is undertaken.
The proposed model-driven approach is shown in fig.2. The basic cycles for task flow development process included in the proposed methodology, such as – requirements analysis, system functional analysis, architectural design and hardware/software specification are the stages from Harmony SE based methodology for software development processes, described in details in [11, 12]. The suggested approach uses different kinds of ANSI/ISA S95 standard models, modeled through SysML modeling constructs.
Fig.2: Approach for development of MES
The first step in the development of MES using the proposed approach is creating on UML/SysML profile extended with new predefined stereotypes based on MES-ML modeling notations. According MES-ML the stereotypes are divided in several groups representing MES functional model activities, MES functional model events, MES functional model data objects and getaways and MES functional model connecting objects, swim lines and artifacts. To each stereotype an icon from MES-ML modeling notations is assigned.
The development process of the MES requirements and performance analysis function is divided into two main steps – define the concrete customer functional requirements and selection of MES functions represented through the Requirements Diagram (RD) and Requirements table (RT); and MES functionality definition using Use Case Diagram (UCD) and Block Definition Diagram (BDD). The performance analysis function is based on the follow steps – analysis of the MES domain to define the environment of the MES, analysis of the MES structure and manufacturing system and analysis of customer requirements and specification. BDD is used to perform analysis of the MES domain and the MES structure and manufacturing system and in order to present customer requirements RD, RT and UCD are used.
The description and analysis of MES processes and the definition of the interfaces between an enterprise’s business systems and its manufacturing control systems, and the activities of manufacturing operations management are sub-stages from next stage in the proposed methodology - architecture design. This stage includes the design of ANSI/ISA 95 models using BDD which are customized through the MES-ML stereotypes and design of the different views for MES system - technical system model, a
8
production process model and MES functional model modeled with Block Definition Diagram, Internal Block Diagram and Activity Diagram customized through the MES-ML stereotypes. In order to model the physical structure of the manufacturing control system (technical system model), BDD is used. The processes in the manufacturing systems (production process model), Activity Diagrams in different level of decomposition are used. The functions of MES embedded in interacting IT functionalities and systems can be modeled in MES functional model using activity diagram separated with swim lines presenting respectively the ERP, the MES and the process control system functions.
4. Case Study To show some of the advantages of the suggested approach, a
real industrial Pick and Place Unit (fig.3) constructed by Technical University Munich [16] is used. The PPU consists of a stack (1), working as a work piece input storage, a conveyor (2) working as a work piece output storage, a stamp (3) for stamping work pieces and a crane (4) for transporting work pieces by picking and placing them between three working positions – for black, white and metallic work pieces. The PPU may work in various different manifestations called Scenarios.
Fig.4 shows the UML/SysML meta-model of Production Operation Management functions according ANSI/ISA-95 [1] modeled using Papyrus plug-in of the Eclipse platform. The production operation management model is extended with product
definition, product capability, product schedule, product performance, operation definition, operation capability, operation schedule and operation performance models presented like blocks. The characteristics of each model are presented with attributes. The meta-models of the Quality operation management function, Maintenance operation management function and Inventory operation management function may be modeled according their equal UML models.
Fig.3: Pick and Place unit
Fig.4: Meta-model of Production Operation Management functions
The operation schedule (fig.5), operation definition (fig.6) and operation performance models (fig.7) for PPU are presented using BDD. The Operation schedule model for PPU (fig.5) consists of blocks named according ANSI/ISA-95’s model “PPU-Request”, “Requirement”, “Equipment Requirement” and “PPU-Material”. The information needed for model elements is presented as attributes with appropriate data type and constraints defined using OCL (Object Constraint Language). The attributes in block “PPU-Request” show that the plant execute Scenario 0 [16], type of operation is production, start and stop time of the process. The block “Requirement” contains information about earliest start time of the process, latest end and duration of the process. The required equipment for execution of Scenario 0 is Micro switch, Motor, Vacuum switch, Monostable Cylinder, Turning table, Stack, Crane, Ramp and Binary Sensors are defined as attributes in block “Equipment Requirement”. The information about material is
assigned with attribute named “WP”, presenting the number of work pieces for PPU.
In fig.6 the operation definition model for PPU is shown. The model consists of blocks with names “PickUp&Place”, “Operation Material Bill”, “PPU”, “Operation Definition Dependency”, “Parameter Specification”, “Equipment Specification” and “Material Specification”. In block “Operation Definition Dependency” the operations dependency according ANSI/ISA-S95 specifications g dependency types: B can not follow A; B may run in parallel to A; B may not run in parallel to A; start B no later than T (Timing Factor) after A start; etc. are defined. Timing factor is also defined as constraint in block “PPU” and attribute “Duration”. The operation definition constraints are assigned using OCL. The type and number of required equipment is defined in “Equipment Specification”.
9
Fig.7 shows the operation performance model for PPU which consist form blocks named “PPU-Operation Response”, “Response”, “Equipment Actual” and “Material Actual”. Due the possibility to use metallic or plastic (black and white) work pieces in block “Material Actual” two attributes – WP color and WP material are defined.
Fig.5: Operation schedule model for PPU
Fig.6: Operation definition model for PPU
5. Conclusions The paper presents an approach for development of unified
modeling framework and SPM for modeling of important views of MES and their components. The UML/SysML profile is extended and at the same time restricted with different stereotypes from MES-ML and ANSI/ISA S95 standard models. The benefits of using this approach are summarized as follow: development of open, flexible and reusable components, faster specification of MES functionality, improvement of capabilities for requirements definition, etc.
The proposed approach is partial realized for modeling of a real industrial Pick and Place Unit. The meta-model and the models of Production Operation Management functions are created.
The future research activities are concentrated mainly on applying the suggested approach to continuous and batch systems as well as application of the suggested approach in industry.
Fig.7: Operation performance model for PPU
6. References 1. ANSI/ISA-S95.00.03-2005, Enterprise-Control System Integration Part
3: Models of Manufacturing Operations Management. ISA, Raleigh, North Carolina, USA
2. Kent, S., Model Driven Engineering. In Proceedings of IFM, 2002, LNCS 2335, Springer.
3. OMG-MDA. MDA Guide version 1.0.1. OMG document omg/2003-06-01, 2003.
4. OMG-UML, 2010. OMG. http://www.omg.org/ 5. ANSI/ISA-S95.00.01-2000, Enterprise-Control System Integration Part
1: Models and Terminology, ISA, Raleigh, North Carolina, USA. 6. ANSI/ISA-S95.00.02-2001, Enterprise-Control System Integration Part
2: Object model attributes. ISA, Raleigh, North Carolina, USA. 7. Pietrac L., Leleve A., Henry S., On the use of SysML for Manufacturing
Execution System design, IEEE 16th Conference on Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA), 2011, 5-9 Sept., Toulouse, pp.1 – 8.
8. Vogel-Heuser B., Erhöhte Verfügbarkeit und transparente Produktion, 2011, ISBN:978-3-86219-178-9.
9. Fang M., Process Modeling and Execution in Non-Enterprise System Integration, Master Thesis Software Engineering, Thesis no: MSE-2012:107, 05 2012
10. OMG-SysML (2006). The OMG Systems Modeling Language, http://omgsysml.org/index.htm,
11. Batchkova I., Antonova I. (2011), Improving the Software Development Life Cycle in Process Control using UML/SysML, Preprints of the 18th IFAC World Congress, pp. 14133÷14138, August 28 - September 2, Milano, Italy.
12. Antonova I., Batchkova I., Development of Multi-Agent Control Systems using UML/SysML, book capter, pp.67-90, InTech, 2011, ISBN: 978-953-307-174-9.
13. Mili H., Tremblay G., Jaoude G.B., Lefebvre E., Elabed L., Boussaidi G.E., Business process modeling languages: Sorting through the alphabet soup. ACM Computing Surveys (CSUR), 43(1):4, 2010.
14. Michalik P., Štofa J., Zolotová I., The use of BPMN for modelling the MES level in information and control systems, Quality innovation prosperity XVII/1 – 2013, ISSN 1335-1745, pp.39-47.
15. Witsch M., Vogel-Heuser B., Modeling of Manufacturing Execution Systems: an Interdisciplinary Challenge, 15th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, 2010.
16. Institute of Automation and Information Systems. The Pick and Place Unit – Demonstrator for Evolution in Industrial Plant Automation, 2013. http://www.ais.mw.tum.de/ppu/.
10
ПОДХОД ЗА ГЕНЕРИРАНЕ НА РАБОТНАТА ЗОНА НА ДЕЛТА РОБОТ С ШЕСТ СТЕПЕНИ НА СВОБОДА
Еделвайс Черчеланов, Христо Карамишев, Георги Попов
Технически Университет – София, МТФ, България [email protected], [email protected] , [email protected]
Abstract: В настоящата статия се предлага подход за генериране на работната зона на шестосен делта робот в програмна-та среда на MATLAB с отчитане на ограниченията, внасяни от карданните съединители на ориентиращите оси.
Keywords: Делта робот, работна зона, карданен съединител, MATLAB
1. Увод Съществен недостатък на делта роботите с три задвижващи
електромотора е силно ограничената ориентация на изходното звено на робота. Обикновено броят на задвижващите електро-мотори съответства на броя на степените на свобода. В този случай трите електромотора осигуряват трите степени на сво-бода, които отговарят за позиционирането на изходното звено и същевременно самата структура на робота позволява още три степени на свобода, отговарящи за ориентацията на изходното звено. Последните са силно ограничени, което е и причината тези роботи да се водят с три степени на свобода. Внасянето на допълнителна гъвкавост в този тип структура е съпроводено с ограничаване на основното предимство на тези роботи, а имен-но високите позициониращи скорости. Причината за намалена-та динамика е внасянето на допълнителна маса в изходното звено на робота. Частично решение на проблема е добавяне на четвърти електромотор в стойката на робота, осигуряващ ори-ентация във вертикалната ос, като въртеливото движение от двигателя се пренася до изходното звено чрез карданна предав-ка.
Оригинално решение на проблема е представено от фирма Fanuc в робота m-3ia [1]. На фиг. 1 е показана конструкция на робот от този тип, създадена от водещия автор в настоящата работа. Добавени са три електромотора между трите комплекта пръти, свързващи вилките на робота с подвижната платформа. Електромоторите се монтират в непосредствена близост до вилките, за да се ограничи в максимална степен неизбежното намаляване на динамиката на робота. Въртеливото движение от двигателите се предава към механизмите в подвижната плат-форма, чрез валове, снабдени с карданни съединители. Кардан-ните съединители внасят промяна в работната зона, получава-
ща се при делта робот с три степени на свобода със същата геометрия. Тази промяна идва от свойството на карданните съединители да пренасят въртеливо движение на валове с пре-сичащи се оси под ъгъл до 45°. При разработване на робот от такъв тип е необходимо да се изследва влиянието на карданни-те предавки и отражението им в работната зона. Визуализира-нето на работната зона може да се постигне в MATLAB.
2. Подход за генериране на работната зона на делта робот с шест степени на свобода
Изчисленията и визуализациите в подхода се изпълняват в софтуерната среда MATLAB. Подходът е представен в блок-схема на фиг. 2.
Скриптът представлява математично описание на геомет-рията на робота, позициониран последователно в множество точки, с координати взети от пространствена мрежа. За всяка една позиция се пресмятат чрез инверсна кинематика ъглите заключени между звената на робота. Програмата работи в следната последователност:
A. Въвеждане на геометричните размери на робота
При първата стъпка на подхода се въвеждат следните гео-метрични размери на робота:
Двигател за позиционираща ос
Подвижна платформа Карданен
съединител
Двигател за ориентираща ос
Прът
Вилка
Не
Не
Да
Да
Въвеждане на данни
Генериране на пространствена мрежа
Карданните ъгли са по-малки от 45°?
Визуализира се точката
Генериране на позиционен вектор с коорди-нати на точка от пространствената мрежата
С позиционния вектор се получава затворена
структура?
фиг. 1
фиг. 2
11
𝐿 – разстоянието от ос Z до оста на вилката (фиг. 3);
𝑙 – разстоянието от центъра на подвижната платформа до точката в която се пресичат осите на карданния съединител (фиг. 3);
𝑙1 – дължината на вилката (фиг. 3);
𝑙2 – дължината на пръта (фиг. 3);
𝑞𝑖𝑚𝑖𝑛– минимален ъгъл, на който могат да се завъртат вил-ките (фиг. 4);
𝑞𝑖𝑚𝑎𝑥– максимален ъгъл, на който могат да се завъртат вил-ките (фиг. 4);
𝑏 – ъгълът заключен между изходния вал на карданния съе-динител и ос 𝑍𝑘 (фиг. 6).
фиг. 3
фиг. 4
B. Генериране на пространствена мрежа
За всяка точка P, в която се пресичат три линии от мрежата се присвояват координати (фиг. 5) [2]:
𝑃𝑖 = 𝑃𝑥𝑖 𝑃𝑦𝑖 𝑃𝑧𝑖.
C. Генериране на позиционни вектори
Броя на точките 𝑃𝑖 е равен на векторите 𝑃�⃗𝑖 (фиг. 5) [2]:
𝑃�⃗𝑖 = 𝑃𝑥𝑖 𝑃𝑦𝑖 𝑃𝑧𝑖.
фиг. 5
D. Пресмятане на кинематичната структура за всеки от позициониращите вектори
Чрез инверсна кинематика се пресмята дали се получава затворена кинематична структура с всеки един от позиционни-те вектори 𝑃�⃗𝑖 [3][4][5]. Ако със съответния позиционен вектор се получи затворена структура и ъглите 𝑞1, 𝑞2 и 𝑞3 изпълняват условието 𝑞𝑚𝑖𝑛 < 𝑞𝑖 < 𝑞𝑚𝑎𝑥 пресмятането с тази позиция на робота продължава.
Ъглите q се изчисляват по следния начин, [3].
• Ъгъл 𝑞1 :
𝑞1 = tan−1(𝑐1,𝑏1) − cos−1 𝑎1�𝑏12+𝑐12
, където
𝑎1 = 𝐿2
3− 2𝐿𝑙
3− 2√3𝑃𝑦𝐿
3+ 𝑙2
3+ 2√3𝑃𝑦𝑙
3+ 𝑙12 − 𝑙22 + 𝑃𝑥2 + 𝑃𝑦2 + 𝑃𝑧2 ,
𝑏1 = 2𝑙1𝑃𝑥 −2√3𝐿𝑙1
3+ 2√3𝑙𝑙1
3 ,
𝑐1 = 2𝑙1𝑃𝑧 .
• Ъгъл 𝑞2 : 𝑞2 = tan−1(𝑐2, 𝑏2) − cos−1 𝑎2
�𝑏22+𝑐22 , където
𝑎2 = 𝑙𝑃𝑥 −2𝐿𝑙3
+ 𝑃𝑥2 + 𝑃𝑦2 + 𝑃𝑧2 + 𝐿2
3+ 𝑙2
3+ 𝑙12 − 𝑙22 + √3𝑃𝑦𝐿
3− √3𝑃𝑦𝑙
3,
𝑏2 = √3𝑙1𝑃𝑥 − 𝑙1𝑃𝑥 −2√3𝐿𝑙1
3+ 2√3𝑙𝑙1
3,
𝑐2 = 2𝑙1𝑃𝑧.
• Ъгъл 𝑞3 :
𝑞3 = tan−1(𝑐3, 𝑏3) − cos−1 𝑎3
�𝑏32+𝑐32, където
𝑎3 = 𝑃𝑥 −2𝐿𝑙3
+ 𝑙𝑃𝑥2 + 𝑃𝑦2 + 𝑃𝑧2 + 𝐿2
3+ 𝑙2
3+ 𝑙12 − 𝑙22 + √3𝑃𝑦𝐿
3− √3𝑃𝑦𝑙
3,
𝑏3 = 2√3𝑙𝑙13
− √3𝑙1𝑃𝑥 − 𝑙1𝑃𝑥 −2√3𝐿𝑙1
3,
𝑐3 = 2𝑙1𝑃𝑧.
12
E. Пресмятане на ъглите ki
За всички позиции на робота, за които е изпълнено услови-ето от т. D се пресмятат ъглите 𝑘1, 𝑘2 и 𝑘3 заключени между валовете на карданните съединители. Ъглите 𝑘 при зададен вектор 𝑃�⃗𝑖 се определят, като се въведе нова координатна систе-ма 𝑂𝑘𝑖 = 𝑃𝑥𝑖 + 𝑙 𝑃𝑦𝑖 𝑃𝑧𝑖 показана на фиг. 6. В тази коорди-натна система се въвеждат следните вектори:
𝑇�⃗ = sin(𝑏) 0 cos(𝑏) ,
�⃗� = �𝐿 + 𝑙1 ∗ cos�𝑞𝑖1�� − �𝑃𝑥𝑖 + 𝑙� −𝑃𝑦𝑖 𝑃𝑧𝑖 − �𝑞𝑖10 ∗ 𝑙1 ∗
sin�𝑞𝑖1��.
Където 𝑇�⃗ е единичен вектор съвпадащ с оста на изходния вал на карданния съединител и посока към стойката на робота (фиг. 6). Вектор �⃗� е вектор с дължина l2 съвпадащ с оста на входния вал на карданния съединител и с посока от подвижна-та платформа към вилката.
фиг. 6
За пресмятане на ъглите 𝑘2и 𝑘3 е необходимо да преобразу-ваме координатите на 𝑃�⃗𝑖 в координатни системи, съответно 𝑋2𝑍 и 𝑋3𝑍, което става чрез ротация на координатната система на ъгли 𝜑2 и 𝜑3, (фиг. 7).
Ъглите 𝑘 се изчисляват по следния начин:
• Ъгъл 𝑘1𝑖:
𝑘1𝑖 = cos−1𝑇�⃗ 𝑘1𝑖 .�⃗�𝑘1𝑖
�𝑇�⃗ 𝑘1𝑖�∗��⃗�𝑘1𝑖� , където
𝑇�⃗ 𝑘1𝑖 = 𝑇�⃗ ,
�⃗�𝑘1𝑖 = �⃗�.
• Ъгъл 𝑘2𝑖:
𝑘2𝑖 = cos−1𝑇�⃗ 𝑘2𝑖 .�⃗�𝑘2𝑖
�𝑇�⃗ 𝑘2𝑖�∗��⃗�𝑘2𝑖� , където
𝑇�⃗ 𝑘2𝑖 = 𝑇�⃗ 𝑘1𝑖;
�⃗�𝑘2𝑖 = �𝐿 + 𝑙1 ∗ cos�𝑞𝑖2�� − �𝑃𝑥2𝑖 + 𝑙� −𝑃𝑦2𝑖 𝑃𝑧2𝑖 −�𝑞𝑖2
0 ∗ 𝑙1 ∗ sin�𝑞𝑖2��;
𝑃𝑥2𝑖 = cos(𝜑2) ∗ 𝑃𝑥𝑖 − sin(𝜑2) ∗ 𝑃𝑦𝑖 ;
𝑃𝑦2𝑖 = sin(𝜑2) ∗ 𝑃𝑥𝑖 + cos(𝜑2) ∗ 𝑃𝑦𝑖 .
• Ъгъл 𝑘3𝑖:
𝑘3𝑖 = cos−1𝑇�⃗ 𝑘3𝑖 .�⃗�𝑘3𝑖
�𝑇�⃗ 𝑘3𝑖�∗��⃗�𝑘3𝑖� , където
𝑇�⃗ 𝑘3𝑖 = 𝑇�⃗ 𝑘1𝑖;
�⃗�𝑘3𝑖 = �𝐿 + 𝑙1 ∗ cos�𝑞𝑖3�� − �𝑃𝑥3𝑖 + 𝑙� −𝑃𝑦3𝑖 𝑃𝑧3𝑖 −�𝑞𝑖3
0 ∗ 𝑙1 ∗ sin�𝑞𝑖3��;
𝑃𝑥3𝑖 = cos(𝜑3) ∗ 𝑃𝑥𝑖 − sin(𝜑3) ∗ 𝑃𝑦𝑖;
𝑃𝑦3𝑖 = sin(𝜑3) ∗ 𝑃𝑥𝑖 + cos(𝜑3) ∗ 𝑃𝑦𝑖 .
фиг. 7
F. Генериране на точка от работната зона на робота
Ако за съответната позиция и трите карданни ъгъла 𝑘1, 𝑘2 и 𝑘3 са по-малки от 45° се генерира точка с координатите на този позиционен вектор.
След като цикълът завърши се визуализира област, изгра-дена от множество точки, до които робота има достъп (табл.1).
3. Резултати За по-нагледно визуализиране на резултатите е удобно да
се използват хоризонтални разрези на обемната работна зона на робота, (табл.1). Точките с по-светъл цвят представляват коор-динатите на позиционните вектори, с които се получава затво-рена кинематична структура, но някои от карданните ъгли са по-големи от 45°. Следователно светлите участъци са тези в които делта робот с три степени на свобода може да бъде пози-циониран, но робот с шест степени на свобода и същата гео-метрия не може. Тъмните участъци са тези, в които и двата типа роботи могат да бъдат позиционирани.
13
табл. 1 Z=250 Z=300 Z=350
Z=400 Z=450 Z=500
Z=550 Z=600 Z=650
Z=700 Z=750 Z=800
Z=850 Z=900 Z=950
Z=1000 Z=1050 Z=1100
На фиг. 8 са представени хоризонтални разрези в един изглед, а на фиг. 9 вертикални.
фиг. 8
фиг. 9
Показаните резултати са за робот със следните геометрич-ни параметри:
Параметър L l l1 l2 b q𝑖𝑚𝑖𝑛 q𝑖𝑚𝑎𝑥 𝑘𝑚𝑎𝑥 Стойност 166
mm 87,5 mm
385 mm
873 mm
32° -52,8° 90° 45°
4. Заключение Предложен е подход за генериране на работната зона на
шест осен делта робот в програмната среда на MATLAB с отчитане на ограниченията, внасяни от карданните съедините-ли на ориентиращите оси.
Използването на карданни съединители води до стеснява-не на работната зона при роботи с паралелна кинематика. Като ефектът на карданните ограничения намалява с отдалечаване на изходното звено от стойката на робота. Тъй като шестосните делта роботи значително превъзхождат по гъвкавост триосни-те, то с предложения подход могат лесно да се анализират разликите в позициониращите зони. Чрез предложения подход може да се създаде софтуер, с който могат с лекота да се изс-ледват множество варианти на кинематичните размери на ро-бота и постиганите с тях работни зони.
5. Литература 1. Corporation, Fanuc Robotics. http://www.fanucrobotics.com/. [Online] 02 2013.
2. DETERMINING THE WORKSPACE IN CASE OF THE ROBOTS WITH PARALLEL STRUCTURE DELTA 3DOF. Dragos, Andrioaia, et al., et al. Vienna : DAAAM International, 2012.
3. Modelling and index analysis of a Delta-type mechanism. Hsu, K-S, et al., et al. s.l. : Proc. Instn Mech. Engrs Vol. 218, 2004.
4. Design, Optimization, and Prototyping of a Three Translational Degree of Freedom Parallel Robot. Hodgins, Jonathan. s.l. : University of Ontario Institute of Technology, 2012.
5. Performance analysis of 3 DOF Delta parallel robot. Stan, Sergiu-Dan and Manic, Milos. s.l. : 2University of Idaho, 2011.
14
ПОДХОД ЗА ПРЕСМЯТАНЕ НА ПОЗИЦИОНИРАЩИТЕ ВЪРТЯЩИ МОМЕН-ТИ НА ДЕЛТА РОБОТ ЧРЕЗ СОФТУЕРНИЯ ПРОДУКТ MSC ADAMS
Христо Карамишев, Еделвайс Черчеланов, Георги Попов Технически Университет – София, МТФ, България
[email protected], [email protected], [email protected]
Abstract: В тази статия е представен подход за получаване на законите за задвижване на електромоторите при известен закон за движение на изходното звено. Чрез дублиране на тримерния модел на делта робота в средата на софтуерния продукт MSC Adams се постига самогенериране на законите, което е достатъчно условие за изчисляване на необходимите задвижващи въртящи моменти, необходими за преместване на изходното звено на робота по даден закон за движение.
Keywords: Делта робот, въртящи моменти, MSC Adams
1. Увод Роботите с паралелна кинематика или така наречените
„Делта“ роботи (фиг. 1) са известни отдавна. Също така са добре известни техните предимства и недостатъци. Предимст-вата са значително опростената конструкция, в сравнение с роботите със серийна структура и по-високите работни скорос-ти, които осигуряват значително увеличаване на производител-ността.
Основен проблем при конструирането на роботи с пара-лелна структура е определянето на въртящите моменти, необ-ходими за осъществяване позиционирането на изходното звено. За изчисляване на въртящите моменти при определени работни режими се използва математичният модел на инверсната кине-матика. Този модел позволява да се изчисли точното положе-ние на вилките при зададени координати на изходното звено, но е много трудно да се изчисли ръчно динамиката на робота със задоволителна точност. Това е така, защото се изисква точно аналитично описание на инерционните характеристики на конструкцията на робота, която подлежи на постоянна оп-тимизация в етапа на проектиране. Решението на проблема е използването на съвременните софтуерни продукти MATLAB и МSC Adams, които работят в съвместен режим. Прилагането на този подход изисква програмиране на свързващ интерфейс и специфични математични знания, а приложението на модела е само за този тип задачи.
В настоящата работа се предлага нов подход, който поз-волява решаване на задачата единствено с помощта на софту-ерният продукт MSC Adams, като той е приложим за всякакви задачи, изискващи използване на инверсна кинематика. Подхо-дът включва въвеждане на геометричният модел на робота два пъти в работната зона на програмата. На първия модел се зада-ва закон за движение на изходното звено и се поставят инстру-менти за измерване на задвижващите ъгли. Тези ъгли се изпол-зват в реално време като параметри за задвижване на втория модел, от който се получават търсените въртящи моменти при проиграване на зададения закон за движение на изходното звено. Или иначе казано програмата самогенерира входните параметри за задвижване на робота, за които в другите подходи е нужен допълнителен софтуер.
2. Стандартен подход За пресмятане двигателните моменти на който и да е ме-
ханизъм трябва да са известни закона за движение на двигателя и приведените инерционни моменти, действащи върху него.
Съществен проблем при роботите с паралелна кинематика е фактът, че при проектиране на робота не могат директно да се пресметнат двигателните моменти при известни закони за движение на изходното звено, тъй като не са известни двига-телните закони за движение.
Законът за движение на изходното звено се представя чрез вектор 𝑃�⃗ (фиг. 2) като функция на времето:
𝑃�⃗ = 𝑓(𝑡)
При зададен вектор 𝑃�⃗ могат да се изчислят позиционира-щите ъгли 𝑞1, 𝑞2, 𝑞3 (фиг. 2) чрез инверсна кинематика [1]. Така при моделиран закон за движение (фиг. 3) на изходното звено 𝑃�⃗ = 𝑓(𝑡), използвайки интегралния метод на инверсната кине-матика могат да се представят ъглите 𝑞1, 𝑞2, 𝑞3 като функции на 𝑃�⃗ [1]:
𝑞1, 𝑞2, 𝑞3 = 𝑓(𝑃�⃗ )
Горното уравнение представлява законите за движение на двигателите при желан закон за преместване на изходното
Двигател за позиционираща ос
Подвижна платформа
Изходно звено
Вилка
фиг. 1
15
звено на робота, но пресмятането му изисква използването на приложен софтуер.
фиг. 2
фиг. 3
За представянето на инерционните характеристики на ро-бота във функция на 𝑃�⃗ се изисква моделиране на подходящ тримерен кинематичен модел на робота с CAD продукт (фиг. 4).
Тримерният кинематичен модел, който съдържа инерци-онните характеристики на конструктивния модел, подлежи на постоянни модификации, които са следствие на оптимизацията на конструктивния тримерен модел (фиг. 5).
фиг. 4
фиг. 5
Следователно за пресмятане на двигателните моменти при даден закон 𝑃�⃗ = 𝑓(𝑡) е необходимо да се генерират двигател-ните задвижващи ъгли 𝑞1, 𝑞2, 𝑞3 = 𝑓(𝑃�⃗ ), които да задвижват тримерния кинематичен модел, чрез който се получават инер-ционните моменти 𝐽1, 𝐽2, 𝐽3 = 𝑓(𝑃�⃗ ).
фиг. 6
Разработен е метод [2][3][4], чрез който при зададен закон за движение 𝑃�⃗ = 𝑓(𝑡), в програмната среда MATLAB (фиг. 6) се калкулират задвижващите ъгли, които през комуникиращ интерфейс задвижват кинематичния модел на робота в софту-ерния продукт за динамични симулации MSC Adams (фиг. 7). При стартиран тримерен модел в MSC Adams, програмата може да изведе диаграми на двигателните моменти. Този под-ход изисква описване на сложен математичен модел в MATLAB и програмиране на комуникиращ софтуер – задачи, изискващи определен тип специалисти.
16
фиг. 7
3. Описание на подхода с дублиране на модела
При предлагания тук подход се генерират задвижващите ъгли 𝑞1,𝑞2, 𝑞3 = 𝑓(𝑃�⃗ ) директно в софтуера за динамична симу-лация. Ключовия момент за постигането на това е кинематич-ният модел на робота да се въведе два пъти в работното прост-ранство на MSC Adams (фиг. 8).
фиг. 8
В изградената по този начин работна област представена на фиг. 8, левият робот условно ще се нарече задвижващ, а десния – задвижван. Като само задвижвания е необходимо на притежава инерционните характеристики на конструктивния модел, което позволява задвижващия модел да се изгради оп-ростено носейки само кинематичните характеристики на конс-труктивния модел. Последователността за пресмятане на дви-гателните моменти е следната:
• С инструмента Angle Measure (фиг. 9) се генерират параметри, носещи стойностите на трите ъгъла, които сключват вилките на задвижващия робот с хоризон-тална равнина
фиг. 9
• С инструмента General Point Motion (фиг. 10) се
програмира закон за движение на изходното звено на задвижващия робот
фиг. 10
• С инструмента Rotational Joint Motion (фиг. 11) се
програмира закон за движение на вилките на задвиж-вания робот. Тук като закон за движение се задават параметрите генерирани при измерване на същите ъг-ли но от задвижващия робот. С това задвижвания ро-бот ще се движи като задвижващия, но с разликата че
17
първия се управлява по задвижващи (двигателни) ъг-ли, а втория по закон за движения на изходното звено.
фиг. 11
• Последната стъпка е да се направи симулация на мо-
дела с бутона Run Simulation и да се изведат диагра-мите на двигателните моменти, (фиг. 12).
фиг. 12
Последователността на работа на метода е визуализи-ран на фиг. 13. Стъпка 1 е задвижването на първия робот чрез закон за движение на изходното звено 𝑃�⃗ = 𝑓(𝑡). На стъпка 2 се измервата задвижващите ъгли 𝑞1, 𝑞2, 𝑞3, които при стъпка 3 се изпращат на втория робот и го задвижват на стъпка 4.
фиг. 13
4. Заключение Предлага се подход за определяне на позициониращите
въртящи моменти при „Делта-роботи“. При него отпада необ-ходимостта от писане на сложни математични програми в MATLAB, описващи кинематиката на робота. Също така отпа-да програмирането на комуникиращ интерфейс, пренасящ сигналите от MATLAB до софтуера за динамична симулация. Подхода с дублиране на тримерния модел свежда сложната задача до стандартните подходи, прилагащи се в програмите за динамични симулации.
Друго предимство на подхода е, че той е приложим вина-ги, когато при конструиране е необходимо ползването на ин-версна кинематика, при това последователността на работа е идентична с описаната.
5. Литература 1. Modelling and index analysis of a Delta-type mechanism. Hsu, K-S, et al., et al. s.l. : Proc. Instn Mech. Engrs Vol. 218, 2004.
2. Co-Simulation Control of Robot Arm Dynamics in ADAMS and MATLAB . Haitao, Luo, Yawang, Lio and Zhengcang, Chen. s.l. : Research Journal of Applied Sciences, 2013.
3. ADAMS/MATLAB Co-Simulation: Dynamic Systems Analysis and Control Tool. L. Ángel, M.P. Pérez, C. Díaz-Quintero, C. Mendoza. s.l. : Applied Mechanics and Materials, 2012.
4. Research on co-simulation of rigid-flexible coupling system of parallel robot. J.Zhao, C.Zhu and Y.Lui. s.l. : International conference on Gippsland Australia, 2009.
18
ИДЕНТИФИКАЦИЯ НА ПОТРЕБИТЕЛИТЕ ЧРЕЗ БИОМЕТРИЧНИТЕ ПАРАМЕТРИ НА ДИНАМИЧНИТЕ ИМ ПОДПИСИ
USER AUTHENTICATION BASED ON THE BIOMETRIC PARAMETERS OF TIME THEIR
DYNAMIC SIGNATURES
M.Sc. Nabotov, Y. PhD.1, Assoc. Prof. Atanassov A.2 Department of Technical Service and Development of Distance Learning, Branch Kulob Technological University of Tajikistan, Kulob,
Tajikistan1, Department of Computer Science – University of Chemical Technology and Metallurgy, Bulgaria2
Abstract: The paper discusses the methods of recognition of the dynamic biometric signature authentication systems in humans. Disadvantages of each method of verification of dynamic signatures are presented along with ways to improve the methods. A method for representing a series of dynamic signatures, in particular, a series of standardized dynamic signatures in the form of a vector cyclic rhythmically related cyclic random processes is proposed. On the basis of the proposed approaches, recommendations on the implementation of authentication systems are given. These systems are more secure because biometric features are an integral part of a person and therefore can not be forgotten, lost or stolen. That's way these systems can be used to grant access to special industrial areas or equipments.
Keywords: DYNAMIC SIGNATURE NORMALIZATION, DYNAMIC BIOMETRIC AUTHENTICATION IDENTITY, METHODS OF IDENTIFICATION
1. Увод В настоящата статия се обсъждат някои от методите за
идентификация и достъп на потребителите в защитени информационни системи, изпозващи биометричните параметри на ръчните им динамичните подписи. Анализирани са недостатъците на методите за проверка на динамични подписи и са направени препоръки за подобрения в системи за разпознаване на подписи. Предложен е алгоритъм за представяне на динамичните подписи (по-специално на серия от стандартни динамични подписи) под формата на вектор от циклично, ритмично-свързани случайни процеси. Биометричните системи са по-сигурни от стандартните, защото биометричните характеристики на даден потребител са неразделна част от него и следователно не могат да бъдат забравени, изгубени или откраднати. Разглежданите биометрични системи могат да бъдат използвани за предоставяне на достъп до специални индустриални зони или съоръжения или до информационни системи със специален достъп. Те могат да се използват самостоятелно или в комбинация със стандартните.
При взаимодействието с информационните системи с различни нива на достъп до ресурсите им различаваме следните етапи на комуникация - регистрация, идентификация и оторизация.
Регистрацията е свързана със създаването на нов запис в базата данни от потребители на системата. Този запис включва уникалното потребителско име, паролата и набор от допълнителни характеристики на потребителя. След регистрация е възможен достъпът до система, но след идентификация (автентикация).
Например, достъпът в повечето модерни операционни системи се реализира на базата на потребителско име и парола, като е недопустимо съществуването на потребители с еднакви имена в базата данни.
Идентификацията (Автентикацията) е потвърждение на истинността на потребителя (човека) на основата на уникална информация (парола, пръстов отпечатък, глас и т.н.), като в най-простия случай това става чрез използване на потребителското име и паролата. В резултат на успешно идентифициране автентикационната система може да допусне потребителя или някой друг (хакер), представящ за регистриран потребител до ресурсите на информационната система
Оторизация осигурява на потребителите достъп до специфичните ресурси на информационната система. Например, процесът на оторизация в дадена операционна система може да предостави на потребителя достъп до определени приложения, файлове, системни променливи и др.
Подсистемата за оторизиране е ключов елемент в информационните системи с достъп, базиран на роли (role-based access). Тя осигурява възможността за достъп до собствените ресурси на законните им притежатели (потребители) и забранява на нарушители да ги достъпват.
За разлика от стандартните системи при биометричните системи за идентификация има два етапа на комуникация с тях - регистрация и автентикация.
На първият етап се измерват и дигитализират биометричните характеристики на потребителя. След това тези данни, както и името на потребителя (login name) се запазват в базата данни.
На етапа на автентикацията потребителят въвежда името си и биометричните си данни, след което системата извършва своите измервания и ги сравнява според някои критерии с наличните данни, получени по време на регистрацията. Ако въведените данни съответстват на тези в базата данни - регистрацията е успешна и потребителят се допуска до ресурсите на системата. В противен случай му се отказва достъп до системата. Биометричната автентикация се дели на статична, която се основава на статичните характеристики (пръстови отпечатъци, профил на ръката, форма на лицето, ирис на окото и др.) и динамична, която отчита динамичните характеристики на потребителя (глас, пресъздаване на фрази, динамичен ръчен подпис, стил на писане на клавиатура и др.).
Известни са много методи за персонална идентификация чрез документи, като паспорти, идентификационни номера, шофьорски книжки, сертификати, кодове за достъп и др. Те имат редица недостатъци, свързани с проверката им на достоверност и с това потребителите да помнят и възпроизвеждат съответните кодови комбинации. Възможно е въпросните документи да бъдат загубени, повредени или откраднати, което да създаде проблеми при идентификацията на потребителя. За разлика от тях биометричните особености на човека са негова интегрална част и не могат да бъдат повредени, загубени или откраднати.
Биометричните системи за контрол на достъпа използват хардуер и софтуер за анализ на динамичните характеристики на потребителя, удостоверяващи динамиката на подписа му,
19
стилът му на писане на клавиатурата или на работата му с компютърна мишка и т.н. [1]. Повечето от динамичните биометрични методи са достатъчно евтини за изпълнение [2], и не изискват специално оборудване, което ги прави предпочитани за удостоверяване самоличността на потребителите.
Обикновено, такива системи използват стандартен хардуер и цената им се определя главно от разходите за софтуер.
2. Анализ на методите за разпознаване на динамични подписи
Методите се делят на: - методите за математически анализ, отчитащи, пътя на
писалката, налягането, скоростта, ориентацията на писалката и нейният наклон, като функции на времето;
- геометрични методи (техники) за разпознаване на образи, които използват различни метрики за близост между биометричния V и стандартния VC вектори (Евклидово разстояние, разстояние на Хеминг, на Минковски, Манхатън и т.н.) [3];
- изкуствени невронни мрежи (artificial neural set /ANS/). Методите, основани на използването на обучени невронни
мрежи, имат потенциално по-голяма точност, но са им присъщите проблемите, свързани с възможността за неопределено дълъг процес на обучение, блокирането и състоянието на "парализа". Те имат и проблеми с биометричната природа на разпознаването на образи, основният от които е обучението на всички възможни "чужди" потребители (невъзможността да се образува представителна група за всички възможни "чужди" обекти).
Математическите методи, използвани в разпознаването на динамични подписи имат следните недостатъци, сред които са:
1. Математически модели не отчитат стохастичната зависимост между серия от динамични подписи и не позволяват да се оцени тази стохастична зависимост.
2. Математически модели и методи за симулиране на динамични подписи не вземат под внимание информацията за характеристиките на ритъма на ръката на подписващия и сходството на ритъм в различните компоненти на подписа в една серия подписи, което не позволява подобряване на точността и надеждността на удостоверяване на самоличността на потребителя в информационната система
С цел подобряване на ефективността на процедурите за удостоверяване на динамични подписи се предлага да се използва метод за представяне на серия от динамични подписи, в частност - поредица от нормализирани динамични подписи, като свързани, ритмични, циклични случайни процеси [5]. Използването на този подход чрез включване на стохастичната зависимост между динамичните подписите в една и съща серия с отчитане характеристиките на ритъма на подписващия се в тази серия, може да осигури по-пълна информация за динамичния му подпис. В резултат се увеличава значително надеждността за идентификацията му в системата.
3. Предлаган алгоритъм Предлаганият алгоритъм се състои от три основни етапа: 1. Процес по първоначално натрупване на данни (Data
Acquisition); 2. Предварителна обработка на данните ( Pre-Processing); 3 MFCC алгоритъм. Повечето биометричнни системи за проверка на подписи
класифицират подписите в два класа - истински и фалшифицирани (подправени) подписи.
Някои от най-тежките етапи при разработката на системите за проверка на подписи са тези, свързани с предварителното натрупване и екстракцията на специфичните атрибути на подписите. Експерименталните резултати показват, че подходящият дизайн на тези етапи позволява на алгоритъма да съпостави извлечените атрибути (характеристики) на истинския подпис към една дистрибуция (серия от верни
подписи) и да отнесе фалшифицирания подпис към друга (серия от подправени подписи).
Етапът по предварителната обработка включва подетапи за премахване на различията в мащаба, изместването, ротацията и продължителността на подписа.
На етапа на предварителна обработка на данните на натрупаното множество от оригинални подписи на потребителя се съпоставя една крива, а на подправените подписи (подправени от различни хора) се съпоставят други различни криви.
След това се извличат ефективните атрибути за всяка крива. На етапа на екстракция на тези атрибути се изпозват честотните коефициенти на Mel (Mel-frequency cepstral coefficients (MFCC)). MFCC е един от на разпространените методи за извичане на атрибути, използван при обработката на говор (реч).
Методът MFCC се е доказал като много ефективен при извличане на съставляващите честотите на речта. Подобни честоти могат да бъдат извлечени от подписите. На тази база методът MFCC се прилага успешно и в процеса на проверката на подписи, което е установено и от редица експериментални резултати.
Извлечените по метода MFCC характеристики (атрибути) на подписа, впоследствие, се нормализират и след това се използват за обучаващ класификатор. За всеки подписващ се, се обучават два отделни класификатора, които се използват в комбинация с основния компонентен анализ (Principal Component Analysis /РСА/) и с многослойна перцептронна невронна мрежа (Multilayer Perceptron Neural Network). Подробностите за всеки етап от предложения алгоритъм са описани в следващите подраздели
Опростената блокова схема на предлагания алгоритъм за верификация на динамични подписи е дадена на Фиг. 1. Както се вижда от фигурата при процеса по натрупване на данни сигналите x(t) и y(t) се извичат от всеки подпис.
Фиг1. Обобщена диаграма на алгоритъма.
3.1 Изравняване на дължината на подписи-те чрез билинейна интерполация
Големината на събраните данни за подписите на потребителите е различна. Тя е различна и за подписите на един конкретен потребител, като варира между 70 и 250 точки (проби), които формират кривата на подписа. Вариациите на пробите в подписа оказва влияние и на процеса на верификация. За по-голямо удобство при верификацията и сравнението на подписите е желателно да се използват еднакър брой точки (проби).
20
Експерименталното е доказано, че разбиването на всеки подпис на 120 проби води до еднаквата му пространствената дискретизация [6]. Имайки равен брой проби за два подписа на дадено лице, може да се направи по-добро, по-лесно и по-ефикасно сравнение, което води и до по-добра производителност на алгоритъма.
Извличането на атрибутите на подписа е най-важната част на системата за автоматизирано верифициране.
Процесът по разбиване (дискретизация) на подписите на проби (точки) е даден на Фиг. 2.
истински подпис фалшив подпис
Фиг. 2. Примери на истински и подправени подписи и тяхната дискретизация.
4. Идентификация на биометричните характеристики на динамичните подписи
Динамичните биометрични системи за идентификация на потребителите [4] използват:
1 Саморъчен подпис; 2 Ръчно писане на клавиатура; 3. Реч. Биометричните системи, базирани на анализ на
индивидуалните характеристики на динамиката на движенията имат много общо помежду си. Това позволява тяхното описанието чрез следната генерализирана диаграма (Фиг. 3).
Фиг 3. Генерализирана диаграма на динамична
биометрична с-ма В биометричните динамични системи за автентикация се
изпълняват следните обощени процедури:
1. Превръщане на неелектрическите величини (координатите на върха на писалката, звуково налягане и др.) в електрически сигнали;
2. Дигитализация на входните електрически сигнали; 3. Мащабирането им и тяхната нормализация; 4. Адукция на сигналите към обща времева скала; 5. Изчисляване на вектора (матрицата) на контролираните
биометрични параметри като данни за ирис, DNA, форма на лицето, геометрия на ръката, пръстови отпечатъци, ретина и др.);
6. Режим на обучение на системата за автентикация, определен като набор от операции, извършвани над вече- създадения вектор (матрица) на параметрите.
В разработената от авторите система динамичните характеристики на подписа, зависещи от входните параметри са координатите на върха на писалка Х(t), Y(t) и Z(t) в координатната система на таблета във функция на времето. Графичният таблет превръща тези аналогови стойности в цифрова форма. Общият метод за получаване на вектора на биометричните данни се базира на дискретното преобразувание на Фурие. Структурата на тази система е показана на Фиг. 4.
Предложено е използването на вълнова декомпозиция (wavelet decomposition) на функциите X(t), Y (t), Z (t). Чрез получената матрица от коефициенти въпросните функции може да бъдат възстановени.
Фиг. 4. Структира на системата за автентикация
На Фиг. 5 е дадена функцията на подписа по координата Y
по отношение на времето и нейната апроксимацията след вълновата декомпозиция.
Фиг. 5. Вълнова декомпозиция
В проучването бяха изследвани различни базови вълнови декомпозиции [4].
1. Difference Of Gaussians (DOG)- вълнова декомпозиция); 2. Гаусова-вълнова от първи ред; 3. Гаусова-вълново от втори ред IAIS (the International
Association of Independent Sobriety); 4. Littlewood-Paley LP- вълнова декомпозиция. Последните бяха сравнени с дискретната трансформация на
Фурие. За анализ на разработения метод беше разработен софтуер,
състоящ се от два модула - модул за обучение и модул за сравнение.
21
Проучването установи, че използването на биометрични характеристики, получени чрез вълнова трансформация позволява намаляване на грешката от първи ред при фиксирана грешка от втори ред. Различията в резултатите от изследваните вълнови декомпозиции не са големи и са в рамките на 2-3 процента. Недостатъците от използването им са свързани с изчислителната сложност на алгоритмите. В същото време широко се използва трансформацията на Фурие поради наличието на бърз алгоритъм за изчисляване (бърза трансформация на Фурие-FFT).
5. Заключения Разработена е структура на система за автентикация,
базирана на динамичните биометрични показатели на потребителите. Системата използва алгоритми за вълнова декомпозиция на координатите на подписа на потребителя. Предстои системата да бъде разширена с възможност за отчитане на натиска на върха на писалката върху таблета, както и наклона на перото, за което, обаче, са необходими и таблети със съответните характеристики.
6. Литература 1. Luskiv A.M., Mathematical modeling and processing of dynamically inserted signatures for authentication tasks persons in information systems, Dissertation, Ternopil, 2008.
2. Asbari S., Corporate solutions based on Linux, Peterburg, 2002, 496 pages.
3. Potashnik D.P., Technical and forensic examination of documents and its role in the legal evidence, Moskov, LeksEst., 2004,144 pages.
4. Ivanov A.I., Biometric identification on the dynamics of unconscious movements, Monograph.– Penza, Publisher Penza State University, 2000.
5. Romanuk Yu. A., Fundamentals of Digital Signal Processing, Moscov, Moscow Physical-Technical Institute, 2005.
6. A. Kholmatov, B. Yanikoglu, Identity authentication using improved online signature verification method, Pattern Recogn. Lett, 26 (2005).
22
СЕМАНТИЧНИ МЕТОДИ ЗА ОПЕРАТИВНА СЪВМЕСТИМОСТ НА ПРЕДПРИЯТИЯТА
SEMANTICS METHODS FOR INTEROPERABILITY OF ENTERPRISES
гл. ас. Гочева Д. Г., проф. д-р Бачкова И. А.
Химикотехнологичен и металургичен университет – София, България {dani, idilia}@uctm.edu
Abstract: Interoperability of enterprises is a challenging task whose successfully solution depends on the progress and development of
very effective technological spaces. Proposed is a conceptual framework of approach for achieving interoperability, based on models, methods and tools of suitably chosen technological areas, for which the priority areas of application are analyzed and established. The main aim of the proposed paper is to collate and summarize the main methods supporting the interoperability of enterprises and underpin the approach. Presented is the application of the considered combined method for information retrieval and decision making.
Keywords: SEMANTICS METHODS, MODELING, INTEROPERABILITY, ONTOLOGY, TECHNOLOGICAL SPACES
1. Увод Постигането на оперативна съвместимост на предприятията
е доста сложна и амбициозна задача и въпреки сериозния напредък в областта на информационните и комуникационни технологии, софтуерното инженерство и стандартизацията в тази област все още постигнатите резултати са незадоволителни. Идеята за моделно управлявана оперативна съвместимост (MDI), отчита необходимостта от използване на онтологии и семантични анотации, но в крайна сметка тази концепция е развита и приложена най-вече на ниво данни и използването на UML за представяне на онтологии, което ограничава подхода само до по-елементарни онтологии. Възможностите за логически изводи и разсъждения са твърде ограничени.
Цел на доклада е да представи онтологично управляван подход за оперативна съвместимост на предприятията, акцентирайки върху систематизацията на заложените в него методи, отразяващи различни аспекти на оперативната съвместимост и най-вече върху семантичната група от тези методи.
Докладът е представен в 4 части. В следващата част е направен кратък анализ на предлагания подход, в чиято основа е концепцията на технологичните пространства [1]. В третата част на доклада са систематизирани и анализирани използваните методи, а в четвъртата е представено прилагането на два от методите при решаването на конкретни задачи по постигане на оперативна съвместимост.
2.Онтологично управляван подход за оперативна съвместимост на предприятията
Предложеният подход за оперативна съвместимост в предприятията се базира на използване на езици и средства от различни технологични пространства. Технологичното пространство е работен контекст с набор от свързани понятия и утвърдени средства за моделиране [1]. Използваните в рамките на подхода технологични пространства са (фиг.1): • Технологично пространство на метамоделите, представлявано от MDA на OMG, накратко ТП на „MDA” (Model Driven Architecture); • Технологично пространство на онтологичното инженерство, представлявано от онтологичните езици OWL, RDF, накратко ТП на „RDF” (Resource Description Framework); • Технологично пространство на СУБД, наричано накратко ТП на „RDB“ (Relational Database); • Технологично пространство на XML, наричано накратко ТП на „XML“ (Extensible Markup Language); • Технологично пространство на езиците за програмиране, наричано накратко ТП на „EBN“ (Backus-Naur Form).
При разработката на подхода се тръгва от тезата, че проблемите, свързани с липсата на оперативна съвместимост могат да бъдат решени с използване на методи и средства от различни технологични пространства. Характерно за тези технологични пространства е, че те могат да решават едни и същи задачи с различен успех. Анализът и оценяването на характеристиките и свойствата на всяко от изброените по-горе технологични пространства е от изключително значение за тяхното успешно включване в решаване на проблемите на оперативната съвместимост. Между отделните технологични пространства съществуват еднопосочни и двупосочни връзки, които също са разнообразни и притежават определени свойства. По този начин могат да се създадат различни методи, чрез които се извършват с лекота операции и действия в едно технологично пространство, а след това получените резултати биват импортвани в други такива, с оглед на тяхното по-нататъшна и по-ефективна обработка и използване.
Фиг.1: Подход за онтологична оперативна съвместимост в
предприятията
Разработеният подход удовлетворява поредица изисквания, покриващи следните важни аспекти на оперативната съвместимост: • Гарантира свързване и/или сливане на коренно различни схеми на данни и данни, както и едновременното търсене на информация в различни източници (информационни системи). Това се постига с използването на семантични модели, в основата на които е глобалната, единна схема за именуване - Uniform Resource Identifiers (URIs), най-значимото подмножество, на която са Uniform Resource Locators (URLs) на HTTP и използването на RDF/OWL модели. URIs идентифицират еднозначно ресурсите и представят явно смисъла на данните чрез свързването им в множества от домейн понятия.
23
• Не налага замяна на използваните технологии и приложения, а предлага само тяхното надграждане. Осигурено е съвместното приложение на утвърдените вече технологии за управление на данни и знания, за моделиране на приложения и вземане на решение, използвани на различни нива в рамките на предприятията. • Осигурява възможности за достъп, обмен и извличане на информация и от неструктурирани данни, съхранявани в хетерогенни и разпределени източници. • Осигурява възможност за създаване на семантични хранилища, които комуникират с източниците на данни, като за разлика от по-широко използваните в момента складове за данни не допускат дублиране на данни и загуба на метаданни. • Подходът се базира на споделеното разбиране за конкретни области във вид на формален и машинно обработваем модел на областта. Това е свързано със създаването на лексиката на конкретна област и формално дефиниране смисъла на термините, на базата на логика чрез:
− Лексика, използвана за описание на конкретен изглед на конкретна област;
− Явна спецификация на смисъла на термините в лексиката (чрез класификации и релации);
− Дефиниране на ограничения, улавящи допълнителни знания за моделираната област.
• Гарантира интеграцията на средства за логически анализ върху схемата на данните, върху самите данни и съответните модели. Едни от най-важните логически анализи са свързани с проверки за противоречивост в логическия модел (Consistency checks), с възможността един клас да не може да има индивиди (Satisfiability checks), с „предсказване“ на йерархични структури (Classification) и др. Софтуерните средства за логически анализ (reasoning) са независими от приложенията и подпомагатпроцесите на изграждане и поддръжка на споделени онтологии чрез разкриване на несъответствия, разкриване на скрити зависимости и релации, избягване на излишна информация, осъществяване на добро класифициране. • Осигурява интеграция на мета модели с конкретни домейн модели. По този начин се улеснява използването на стандартизирани, референтни модели и многократно използваеми модули, изисквания, дефинирани в архитектурите на [2, 3, 4]. • Предоставя удобен, гъвкав, устойчив и „богат“ по отношение на възможностите за изразяване модел на дaнните, който е многократно използваем и приспособим при изменения на изискванията • Позволява разделяне на оперативните знания от знанията в конкретна области. Това дава възможност на потребителите да споделят и използват многократно едни и същи набори от данни в различни приложения и платформи, като това се постига чрез два основни принципа на проектиране: отделянето на моделите на знания от приложенията и интегрирането на модели на знания чрез многократно използване на модули и възможности за разширение на създадените модули. Разделянето на моделите от приложенията е важно условие за осигуряване на възможности за споделяне на данни и многократно използване на данните в различни приложения и среди. При това разделяне, бизнес логиката „излиза“ от приложенията и „влиза“ в моделите на знания чрез онтологии и правила. • Гарантира модулност и многократна използваемост, стандартизация, както и възможности за разширяване и модификация. • Приложим е на всички етапи от разработката на информационни и управляващи системи. Започвайки от онтологичен модел на областта, различни видове онтологии на процеси, задачи, интерфейси, за дефиниране на интелигентни агенти, които използват онтологията за да комуникират помежду си в разпределени хетерогенни среди, и се стигне до процеса на управление на качеството и задачите за диагностика.
Важен фактор за постигане на изброените по-горе аспекти на оперативна съвместимост, освен използваната концептуална рамка, е и съвкупността от методи, които поддържат съответните технологични пространства и тези, които реализират връзките между тях. Част от тях са предмет на систематизация и анализ в следващия раздел на доклада.
3. Методи за постигане на оперативна
съвместимост Постигането на оперативна съвместимост чрез използване
на семантични технологии може да се представи като последователност от три основни процеса: конвертиране на данните от хетерогенни източници (релационни бази данни, XML, таблици, документи), обработка на интегрирания модел (обединяване, редактиране, логически анализ) и извличане на информация (конвертиране, визуализация). По време на трите етапа се използват различни методи, които позволяват да се контролират данните, които се интегрират, да се сортират данните, да се отхвърлят повторенията, да се извлича информация, да се осъществява логически анализ и верификация. Систематизация на разработените и прилагани методи е представена на фиг.2.
Фиг.2: Систематизация на методите
Методите за конвертиране изграждат мостовете между отделните технологични пространства. Така например съществуват различни методи и софтуерни средства за конвертиране на релационни бази данни, електронни таблици, XML файлове, UML файлове, различни онлайн ресурси и др. в RDF/OWL формат. На фиг.3а и фиг.3б са представени илюстрации на двете групи методи, които се прилагат успешно – трансформация и динамично съответствие. Трансформацията се базира на използване на концепцията, методите и средствата, залегнали в ТП на „MDA” и използване на метамодели на различните ТП, както и формулиране на правила за трансформация на мета ниво, както е показано на фиг.3б. При методите на динамичното съответствие пък се използват специални езици за определяне на съответствията между модел (база данни) и RDF Graph (фиг.3а-(3)). За целите на задачата за динамично съответствие между релационна база данни и онтология е използван езика R2RML, като данните могат да бъдат оставени в източника и извличани при поискване или преместени във временни RDF хранилища. Методът може да се приложи към данни от измервания в реално време, към данни от производството, външни и собствени бази данни. Тези два метода се прилагат доста успешно и при двупосочно конвертиране на модели между ТП на „MDA” и ТП на „RDF”. На фиг.4а е илюстриран метод за динамично съответствие на UML модели в OWL онтологии, който е използван при създаването на референтна мета онтология на предприятията.
Методите за създаване и редактиране на обобщени модели се състоят от методи за интеграция, федерация и обработка.
24
Интеграцията може да се осъществи по различни начини, преминавайки през различни етапи с използване на различни езици, технологии и механизми. Онтологично базираната интеграция обхваща процеси, подобни на ЕТL трансформациите: (E)xtracte от източник на данни, (T)ransforme в RDF модел (целева онтология) и (L)oade в онтологични хранилища на данни. Основните разлика е, че при онтологично базираната интеграция могат да се използват както структурирани, така и неструктурирани данни, а семантиката в онтологията може да се зададе в процеса на трансформацията, или в последствие при обработката на онтологичния модел чрез операциите върху онтологии: обединяване, съпоставяне, подравняване, интегриране. Като целева онтология може да се използва референтна онтология. При промяна в данните, трансформацията се повтаря. На фиг.4б е илюстриран метод на онтологична интеграция, представящ интеграцията на резултати, получени в ТП на „BNF“, които посредством Data Base Toolbox се съхраняват в ТП на „RDB” като база данни (2) и заедно с база данни (1) могат да бъдат интегрирани в онтология (5), която да бъде обединявана, съпоставяна, подравнявана и интегрирана с (3) в интегрираната онтология (6).
а) б)
Фиг.3: Илюстрация на методите „динамично съответствие“ и „трансформация“ между различни ТП
В основата на онтологично базираната федерация на данни е SPARQL [5], който е протокол и език за заявки върху данни, записани или представени в RDF формат. Чрез езика SPARQL могат да изпълняват заявки за търсене в различни източници на данни, да се конструират модели, да се задават структури и правила. Възможностите за онтологично базирана федерация значително нарастват с появата SPARQL 1.1. [6] като език за създаване на правила. Чрез клаузите за обединяване и редактиране на графи GRAPH и SERVICE, SPARQL 1.1 осигурява възможности за запитвания върху различни източници, еднократно чрез заявки към източници, намиращи се в хранилище на данни, или чрез SPARQL крайни точки (SPARQL endpoints). Всеки източник представлява именуван граф чрез базов URI: релационни бази данни, таблици или RDF онтологии се третират еднакво като графи. По този начин, външни източници на данни се запитват чрез клаузата SERVICE. Едновременното използване на SERVICE и GRAPH е възможно в рамките на една заявка. Този метод е илюстриран на фиг.5.
a) б)
Фиг.4: а) Илюстрация на метода “UML2OWL” и б) метод за интеграция
Методите за обработка на обобщени модели се прилагат както върху интегрирани, така и федерирани модели и целят да се справят с терминологичните различия, повторенията на данните и създаването на правила за съответствие между различните източници в обобщения модел.
Фиг.5: Илюстрация на метод за федерация
Методите за извличане на информация включват методи за класификация, методи за създаване на хранилища и комбинирани методи, които представляват автоматизирани вериги от методи за извод и вземане на решение. В основата на тези методи са справки за извличане на информация от интегрирани модели – директно чрез SPARQL или уеб услуги, а също и чрез трансформация на SPARQL в SQL към релационни данни. По-важни технологии, изградени на основата на SPARQL са: SPARQL Notation Inferencing (SPIN) [7], SPINMap, SPARQLMotion [8]. Лексиката на SPIN (spin:constraint, spin:rule, spin:function) осигурява свързване на класове със SPARQL заявки и създаване на обектно-ориентирани шаблони за многократно използване. SPINMap е SPARQL базиран език за съпоставка (mapping) на RDF/OWL онтологии. SPARQLMotion е визуален скриптов език за изпълнение на повтарящи се задачи за обработка на данни и задачи, свързани с интеграцията на данни. Интегрирането се осъществява чрез диаграми на потоците от данни. Всеки конкретен алгоритъм за интеграция на данни може да се запише като SPARQLMotion скрипт за многократно изпълнение. По-долу е представен пример, онагледяващ използването на комбинирания автоматичен метод. Други практически примери илюстриращи представените по-горе методи могат да се видят в [9-12].
4. Приложение на комбиниран метод за извличане на информация
Идеята за онтологично базирана интеграция може да се представи като последователност от три основни етапа: импорт (от релационни бази данни, от XML, от таблици и документи), обработка на интегрирания модел (трансформиране, редактиране) и експорт (конвертиране, визуализация). По време на трите етапа се използват семантични технологии и средства за логически анализ (reasoning), които позволяват да се контролират данните, които се интегрират, да се отхвърлят повторенията, да се сортират данните. Тъй като данните и схемите на данните се съхраняват по един и същи начин, е възможно динамично по един и същи начин да се обработват и данните, и схемите на данните.
На фиг.5 е представен вариант на интеграция чрез технологията SPINMap в продукта TobBraid Composer Maestro Edition. В процеса на интеграция се използват част от данните и структурата на релационна база данни, представена като онтология, и референтна, съвместима с ANSI/ISA-S95 мета онтология. Данните от клас nwind:Employees, получени от релационната база данни се трансформират в два класа от мета онтологията: клас „Персонал“ (isa:Person) и клас „Характеристики на Персонала“ (isa:PersonProperty). При създаване и записване на данни в клас “Персонал”, някои от атрибутите от релационната база данни са обединени (FirstName и LastName), други са модифицирани. Свойствата от клас nwind:Employes от релационната база данни се съпоставят на свойства, дефинирани в isa:Person и isa:PersonProperty. Част от свойствата на клас nwind:Employees стават свойства на клас isa:Person, а други – на клас isa:PersonProperty. Записите от базата данни изцяло се трансформират като индивиди в онтологията.
25
Фиг.5: Онтологична обработка на интегрирания модел чрез
технологията SPINMap
За автоматизиране на последователността от процеси при онтологично базираната интеграция, обработка и извличане на данни чрез технологията SPARQLMotion е създаден примерен темплейт за многократно използване. Използвани са модули от три типа: ImportModules (sml:ImportFromLocalModules), ProcessingModules (sml:CreateSpreadsheet) и ExportModuls (sml:ExpotrYoTextFile). Чрез създадения скриптов файл се осъществява обединяване на три онтологии, извлича се информация, резултатите от която се преобразуват и записват в текстов файл. Както е показано на фиг.6 в интеграцията се включват: домейн онтология на оборудването в завод за горещо валцуване (isa1014Equipment), мета онтология (isaontology), и домейн онтология на производството в завод за горещо валцуване (DomOnto). Модулът за извличане на информация Extract извлича данни (индивиди) чрез следната SPARQL заявка:
След изпълнение на модул sml:ExpotrYoTextFile, в текстов файл се записва информация за изпълнение на планов график ProductionSchedule_123, в който са включени три производствени заявки (ProductionRequest_1, ProductionRequest_2, ProductionRequest_3), като за изпълнение на графика в процесния сегмент, касаещ оборудването (EquipmentSegmentSpecification_1) e конкретизиран агрегат от модела на оборудването (Методична_пещ_1).
Фиг.6: SPARQLMotion script за автоматизиране на
онтологично базирана интеграция на данни
Резултатите се записват в текстов файл от вида, представен на фиг.7.
Фиг.7: Текстов файл с резултати
5. Заключение Постигането на оперативна съвместимост в предприятията, изразяваща се с възможността, различни информационни системи, приложения и услуги да комуникират, споделят и обменят данни, информация и знания по прецизен и ефективен начин, както и да се интегрират с други системи, приложения и услуги, за да се доставят нови информационни продукти и услуги, e достижимо предизвикателство на базата на предложения онтологично управляван подход. Използвайки онтологии и базирани на тях системи бази данни и системи бази знания, могат да се извличат знания, да се систематизират и многократно използват тези знания, когато и където е нужно, като по този начин се съкращава времето за разработка и цената на информационните и управляващи системи.
6. Литература 1. Kurtev I., Bézivin J., Aksit M. (2002), Technological Spaces: an
initial appraisal, CoopIS, DOA'2002 Federated Conferences, Industrial track, Irvine.
2. GERAM (1999), Generalized Enterprise Reference Architecture and Methodology, Version 1.6.3, IFAC-IFIP Task Force on Enterprise Integration.
3. Microsoft (2013), Vision for an Upstream Reference Architecture, White Paper, www.microsoft.com/mura.
4. ANSI/ISA–S95.00.01–2000, Enterprise - Control System Integration, Part 1: Models and Terminology”, American National Standard, ISBN: 1-55617-727-5, 2000.
5. Prud’hommeaux E., Seaborne, A. (2008), SPARQL Query Language for RDF - W3C Recommendation 15 January, http://www.w3.org/TR/rdf-sparql-query/
6. Harris S., Seaborn A. (2013), SPARQL 1.1 Query Language, W3C Recommendation, 21 March, http://www.w3.org/TR/sparql11-query.
7. Knublauch H., Hendler J., Idehen K. (2011), SPIN - Overview and Motivation, W3C Member Submission 22 February.
8. Knublauch H. (2010), SPARQLMotion, Version 2.1.0, February 01, sparqlmotion.org.
9. Gocheva D., I. Batchkova (2011), Ontology Based Approach for Achieving Interoperability of Manufacturing Execution Systems, Proceeding of the Anniversary Scientific Conference with International Participation “40 Years Department of Industrial Automation”, 18 March 2011, UCTM, Sofia, pp.153–158.
10. D. Gotcheva, I. Batchkova (2012), Semantic approaches for interoperability in enterprise engeneering, in Proceedings of the International Conference “Automatics and Informatics’2012”, 03-05 October, Sofia, pp.262-266.
11. D. Gocheva, D. Georgiev, I. Batchkova (2013), Ontology-based data management in manufacturing execution systems, Scientific Conference with international participation “60 Years UCTM”, 04-05. June, Sofia.
12. Д. Гочева, И. Бачкова (2014), Онтологично управляван подход за оперативна съвместимост в предприятията, Материали от 22-ри международен симпозиум “Управление на топлоенергийни обекти и системи”, 8-9 май, г. Банкя, стр.35-38.
SELECT DISTINCT ?ProductionSchedule ?Order ?EquipmentSpecProdDef ?EqSegmentProcessSegment ?Segment WHERE {?ProductionSchedule sa:isMadeUpOfProductionRequests ?Order . ?EquipmentSpecProdDef isa:hasEquipmentSpecificationEquipment ?n . ?EqSegmentProcessSegment isa:hasEquipmentSegmentSpecificationEquipment ?Segment.}
26
WEB-BASED SYSTEM FOR MAILPIECE DIAGNOSTICS INTENDED TO USPS
Assoc. Prof. Atanassov A. Department of Computer Science – University of Chemical Technology and Metallurgy, Bulgaria
Abstract: Everyday millions of letters are redirected from old to new addresses of their recipients. It happens because people are changing their homes or job, so the companies changing their location. In order to avoid sending the letters to old and then to the new addresses, which spends lots of recourses, a new generation of Postal Automated Redirection System /PARS/ is applied in USPS. The PARS consists of more than 50 processing sorting centers /P&DC/ equipped with special optical character recognition SW which automatically redirects the letters to the new addresses. This paper presents the design and development of WEB-based Performance Diagnostic System /PDS/ intended to operative control, monitoring and diagnostics of PARS HW and SW components, as well diagnostics and analysis of sorted letters. The PDS can be used for on-line remote control of PARS and the quality and performance of the sorting process.
Keywords: AUTOMATION SOFTWARE, WEB BASED UI, REDIRECTION SYSTEMS
1. Introduction Nowadays because of mobility many people are changing their
location or jobs. The delivery of letters or parcels to their new addresses becomes of great importance and saves time and money to the postal services.
In USA more than 40 millions letters are redirected each day. During the process of sorting the letters (mailpieces) are delivered to one of the nearest Processing Distribution Centers (P&DC), forming Postal Automated Redirection Systems (PARS) of the United States Postal Services (USPS). The letters are sorted automatically and then delivered to the recipients. In case of change of addresses PARS is responsible to redirect letters to their new addressees or to return them to the senders.
Current paper describes the design of WEB-based Performance Diagnostics System (PDS) intended to collect status, monitoring and diagnostics information about PARS systems, as well to collect data regarding the redirected letters and related to them Change Of Address (COA) forms.
1.1 Process of letters sorting and redirection
• Letters are delivered to the nearest P&DC; • The surface of each letter is scanned and the image is sent to
the optical character recognition (OCR) system which finds the address data;
• Using the address a request to the national database of addresses (Address Directory) is sent and as result the sorting information is provided;
• On the base of this information the letter is directed to the special box (shoot) of the sorting machine. The box collects the letters to specific street or area of the town/village;
• From this box the letters are delivered by the carrier (postman) to the recipients.
Fig 1 Delivery of letter to the new address without PARS
In case the recipient changes its address (fig 1) the postman manually delivers the letter to old address and then after finding out that the addressee is not available there he delivers the letter to the redirection unit where new address is provided by the COA Form Service (CFS) and the letter is redirected to the new or the same P&DC. Then the same sorting procedure is applied again. In order to find new address in CFS site the recipient who changed its address must to provide to USPS services the COA form with its old and new address (Fig. 2).
Fig. 2 Change Of Address (COA) forms In order to improve letters sorting in PARS system first the
address found by OCR is checked both in current address directory and in CFS directory (Fig 3). If new address is reported by CFS it is printed in P&DC and stamped to the letter. Then the letter is automatically directed to the new address.
It can be seen that new approach saves lots of efforts, energy and time.
Fig 3 Delivery of letter to the new address with PARS
27
In case the customer did not provide its new address the mail is returned to the sender.
1.2. Providing the COA information
The customer who changes its address must provide new address by: • sending a mail to USPS; • filling manually the COA form (at post office); • filling the same form to the WEB site of USPS.
In paragraphs above the automatic recognitions of the addresses
in P&DC sites was discussed. In some cases of handwritten address the OCR algorithm could not find the whole address of the letter. In this case to solve the problem the image of the letter is sent to Remote Encoding Center (REC) where the address is resolved by human help. There on video-terminal the address is completed by the operator. As soon the address is completed it is returned from REC to P&DC and the letter is sorted.
1.3.The main HW and SW systems involved to letters processing
The main hardware system are sorting machines equipped with cameras ad barcode readers. Next are transportation subsystems. The sorting machine has specific software for on-line OCR of the sender and the receiver addresses and post stamps types and their price.
The main OCR related subsystems are: - RIC - redirection image controller – subsystem managing
images from the cameras by the following components: o IH/ - image handler which is converting the images from
the cameras to the image file formats used by the readers o IC - image controller, controller managing the IH o SC system controller o CDB - data bases for statistical and other data
- AFR – address forwarding reader – subsystem for OCR address recognition (AFR-I) and for post stamps recognition (AFR- II)
- CFR – change of address (COA) forms reader – subsystem responsible for COA forms with new addresses (forms filled by the people changed their addresses or by the postman)
Each sorting machine is capable to process up to 50000 letters per hour. In order to do that it uses lots of IHs, ICs, AFRs, CFRs running in parallel on tens of PCs.
All mentioned above subsystems and components are forming the Image Management System (IMS) of the P&DC or of the REC. The diagnostics, monitoring and control of the SW subsystems of the sorting machines of each P&DC or REC is provided via internet on the base of the current PDS. The PDS is running as a specialised server on a Tomcat Apache WEB server installed on each P&DC or REC.
2. PDS systems’ requirements The following functional requirements derive from the general P&NC, REC and PDS system requirements [1,2,4] and can be summarized as: Authentication of logging of up to 60 users. Monitoring permanently of the IMS hardware and software
components and providing real-time maintenance diagnostics for the verification of the operational status of the whole IMS.
Providing the possibility to start/stop the IMS and each of its subsystems and components.
Monitoring of the connections between current P&DC and other P&DC (named REC, NTSC , etc)
Providing IMS statistics (for mails site performance, AFR , CFR, Benchmark, etc.)
Monitoring the Network status IMS diagnostics including network diagnostics and
performance Computer diagnostics (HDD info and system logs) Software diagnostics (shared memory and processes view)
Providing capability to install, update backup and restore the system software or firmware
Letters (mailpiece) diagnostics COA forms diagnostics VDT diagnostics (related to manually coded COA forms using
video terminals). Address Directory diagnostics. Number of saved (processed) letters/COA forms is up to
300000 per day and must be collected for one month period.
3. Architecture of the System As a result of the analysis of the requirements and taking into
account similar solutions in postal automation systems [1,2,3] the architecture (Fig. 4) of the WEB-based PDS server was developed. The server is executed within the Apache Tomcat Server container. It is a servlet container [4] that is used in the official Reference Implementation [5] for the Java Servlet and Java Server Pages technologies, as well Ajax and Struts Technologies.
The components forming the the systems are: PDS Web UI including UI Framework – base of the IMS
Diagnostics UI, Statistics UI, RTE UI, OS/HW and HDD Diagnostics UI and Backup/Restore UI
PDS Server including: o IMS Monitoring and Diagnostics component o Statistics component o OS/HW and HDD Diagnostics component o Backup/Restore component o RTE server processing real-time events o Message layer component o Mailpieces and COA forms Diagnostics component o Directory Diagnostics component
They are described in the next sub-sections. The PDS communicates to the external IMS subsystems via
messages sent/received over TCP/IP sockets. On each external system (PC) the PDS client DLL or PDS service is running. They are providing API from the specific system and PDS.
Fig. 4 PDS Architecture Users are connected over secure HTTP to the PDS server using
Internet Explorer browser.
3.1. WEB UI component
This component is responsible for preparing all jsp (java server pages) provided to the user. It deals also with the actions that can be triggered by the user (clicking different buttons in Browser). It provides servlets manipulations and tables’ decorations. It takes info about the status, statistics, diagnostics and other data from other PDS components which are provided to the user. The component is sending periodically auto refresh messages in order to keep the status data presented on the user browser up to date.
3.2. IMS monitoring and diagnostics component
28
This component ensures the monitoring, diagnostics and control of entire IMS and all its SW and HW systems and components. The component has to provide: • Reporting Logical Status Change of SW subsystems and
components; • Reporting of Physical Status Change of IMS Computers; • Monitoring of the IMS Status and reporting Overload of
certain Subsystem; • Monitoring the Storages Status and Computer Storage Status • Monitoring the Network Status • Controlling IMS System (Start, stop restarts shutdown of IMS) • Monitoring the Connections • Monitoring SW Processes • Reporting SW Component Versions • View or Download of Log and Configuration Files
3.3. Run Time Event Server
The Run Time Event (RTE) Server deals with the special messages (info, warning errors, fatal errors) produced by the all SW components of the IMS. The RTE messages are stored permanently on the data base server and are available on request to the PDS. In some case information about this message has to be sent by mail to the IMS operators, technicians or managers. These activities are done by the RTE server component. It is responsible also for:
• Presenting of All RTEs • Presenting of RTE Detailed info for one selected RTE • Adding or Modifying RTE Filter • Update of RTE Note Field • Create/ Delete RTE Mailing List • Add/ Delete Member to Mailing List • Add /Remove Filter to Mailing List • Add Filter to UI Notification 12 • Remove Filter from UI Notification • Export RTE List • Delete RTE older than • Delete RTE mails older than 25 days.
The flow of action when some option is activated in RTE menu includes query to the RTE component which send the query to the data base and when the result is available it parses it and presents it to WEB UI screen
Other PDS components as HW/OS/HDD diagnostics and Backup and Restore component are using the same flow of actions when communicating to the corresponding IMS subsystems. The difference is that HW/OS/HDD diagnostics component is using Windows API for getting OS, BIOS and hard disk data, instead of the client API (see Fig. 4).
Backup and Restore component is using COOL command scripts which are activated by the PDS service (service.exe on Fig 4). Only the names of the scripts are different then those used to start/stop computers, etc.
3.4. Mailpieces and COA forms diagnostics
This component is responsible to send queries to the database to extract data regarding processed by the P&DC or REC mails or COA forms. Each query can be with variable number of fields describing lots of letter/COA form attributes as ZIP code , type of mail (firs class, military, foreign, etc.), city, state, names of sender/recipient, etc. As a result series of letters ' or COA forms images are presented for diagnostics or analysis to the user.
4.PDS WEB UI structure and views The following figure (Fig 5) gives the structure of the menu
items of the PDS WEB UI, as well some of the UI pages representing most of the features of the PDS. The menu items are grouped into five general groups (IMS Monitoring IMS Diagnostics, Run Time Events, Backup and Restore and Administration).
Next page (Fig. 6) represents combined IMS system status view. With green bar graphs are presented the IMS subsystems that are in Ready state, with yellow the Not Ready subsystems and with red those in Malfunction state. Below the bar graphs tin the table the current number of those subsystems (IH, RIC, AFR, etc.) is given. In the upper part the tabs of all available IMS statistics ate given. By selecting tabs the needed statistics can be seen. By the use of the buttons the entire IMS can be Restarted or Shutdown.
Fig.5 PDS WEB UI Menu Items Below the bar graphs tin the table the current number of those
subsystems (IH, RIC, AFR, etc.) is given. In the upper part the tabs of all available IMS statistics ate given. By selecting tabs the needed statistics can be seen. By the use of the buttons the entire IMS can be Restarted or Shutdown.
Fig. 6Monitoring the IMS System Status The Status of the all IMS computers is given on Fig. 7. From
this web page the user is able to access the status of SW subsystems/components (Fig. 8) running on the selected computer.
Fig. 7 Computers Status Page
Fig. 8 Subsystems Status Page On the page below (Fig. 9) the diagnostics page – Hard disk
info can be seen, available via Diagnostics/Hardware/HDD.
29
Fig. 9 Hardware- Hard Disk Info Page Next two pages (Fig. 10 and 11) present the Mailpiece
diagnostics screen of WEB UI and search criteria related to different letter's attributes, as well the one of the results of the search. The attributes of the letters or the COA forms are too many and their explanation exceeds the volume of current paper. For example when the OCR algorithm tries to find the recipient address or the sender address different approaches (using barcode, ZIP codes (3, 5, 11 digits) including city, state codes, recipient name abbreviations) are applied. So the diagnostics of mailpieces can include variations of these or others attributes, as well the attributes that are related to the ID of sorting machine, time of sorting, type of the mail (first class, ordinary, military mail, etc).
Fig. 10 Mailpiece Diagnostic search screen
Fig. 11 One of the found results (mailpiece) matching the search criteria
Similar to the figures 10 and 11 above are the search screens for analyzing COA forms. The differences in them are related to the structure and the information of the COA form, given on Fig . 2.
Search criteria related to VCD keying diagnostics include how many steps (keys pressed) are used by the operator in REC site to complete letter's or COA forms' address.
5. Conclusion Presented in the paper WEB based PDS system was developed
on request by Siemens PA [7] and was intended to USPS. The author of the paper was a project manager of one of the significant part of the system and was involved in PDS requirements analysis, SW architecture development, coding and testing of SW components.
Implemented PDS system provides abilities for on-line remote control, monitoring and diagnostics of IMS systems working in all P&DC and REC sorting centers of USPS. PDS ensures detailed information and statistics to users of different levels – operators, technicians or managers that can be used for taking operative and strategic decisions, in the field of postal automation.
Abilities for mailpiece and COA diagnostics can be used for further software improvement of the OCR readers (AFR and CFR)
Developed PDS Web Based architecture was already modified and applied successfully in the area of Automatic Number Plate Recognition (ANPR) systems [1,2]. In this case it was used for a remote control and tuning of the parameters of a new generation ANPR cameras used for traffic control, tolling or parking access, etc.
5. References
1. Atanassov A, Controlling An Automatic Number Plate Recognition System Via Web-Based Component, международна конференция автоматика и информатика’10, 37 октомври 2010 г. ,София, България
2. Atanassov A., Tomova. F., Web-Based Subsystem For Tuning Of An Automatic Plate Number Recognition System, Sixth International Conference, Challenges In Higher Education And Research In 21st Century, June 4 – 7, 2008 Sozopol, Bulgaria
3. Atanassov, A., Parallel Software Solutions In Automated Parcel’s Processing, Third International Bulgarian -Turkish Conference, Computer Science'06, 12 - 15 Oct., 2006, Istanbul, Turkey
4. Cavaness C., Programming Jakarta Struts, Second Edition, O'Reilly, 2004
5. Husted T., Struts in Action Building web applications with the leading Java framework, Manning Publications Co.,2003
6.http://www.apwu.org/dept/clerks/clkpars.htm Postal Automation Redirection System (PARS)
7.http://www.siemens.com/innovation/en/publikationen/publications_pof/pof_fall_2003/editorial/postal_automation.htm
30
INTELLIGENT DECISION-MAKING FOR ENERGY AND ECONOMIC EFFICIENCY OF INNOVATIVE MANUFACTURING PROCESSES BASED ON
MULTI-ATTRIBUTE KEY PERFORMANCE INDICATORS
M.Sc. Grzelak D.1, Dipl.-Wirt.-Inf. Freund R.1, Dr. Wiemer H. 1, Prof. Großmann K. 1 Institute of Machine Tool and Control Engineering, Technical University of Dresden, Dresden, Germany 1
Abstract: Production planning for the replacement of conventional manufacturing systems by new automated process chains is a com-plex activity particularly when it comes to choosing the right processes, materials and technologies. Nowadays those new process chains have to fulfil constraints such as low energy consumption and have to be resource-efficient and cost-efficient at the same time. The decision-making process can be a difficult task for authorities especially when the uncertainty of the input parameter has to be taken into account, such as prices for electricity, raw materials and lot sizes. This paper proposes a new decision-making model based on multidimensional key performance indicators (KPIs) that represent an economic and environmental objective as well as a performance objective.
Keywords: MANUFACTURING, LEIGHTWEIGHT STRUCTURES, DECISION-MAKING, ENERGY-EFFICIENCY, COST-EFFICIENCY
1. Introduction The Designing of hybrid lightweight structures are becoming
increasingly more interesting in research and industry. New hybrid materials are developed, consisting of multiple materials like e.g. thermoplastic textile composite components made of plastic and glass fibre, for the realization of lightweight construction concepts and allow a significant weight reduction whilst still providing a high mechanical strength and functional density [1] and can lead to re-duced operational costs. For example in the automobile sector the use of lightweight structures can lead to energy savings through weight reduction [2] and in return leads to less fuel consumption. Currently developments of those hybrid structures are limited to niche applications and require the need for innovative process chains, technologies, tools, and the use of hybrid materials.
For accomplishing the goal for the construction of hybrid struc-tures, new machines and tools are used, whereby basic technologies are “merged” together to realize new innovative merged process chains. By using those merged process chains in existing manufac-turing facilities, the complexity of the whole manufacturing process can be reduced as well as it allows a resource and economic effi-cient production and development. But the complexity in the plan-ning phase of those new composite constructions leads to long de-velopment times, high financially expenditure and detailed expert knowledge.
In manufacturing chains with a wide variety of materials, ma-chines, tools and production levels, evaluation and comparison of various alternative process chains only consider cost aspects [3] or allow only insight to the energy consumption of processes [4]. Rarely an overall evaluation of the ecological and economic factors is conducted.
Choosing from multiple alternatives e.g. the best technology, tool and material is a difficult task for decision-makers, manufactur-ing supervisors or production managers. Furthermore constraints like low energy consumption and resource efficiency are a basis for discussion in the present time and have to be observed taking ac-count of a robust product. A multi-criteria decision-making (MCDM) support for economic and energy efficiency is essential and can help to drastically cut long development times and costs especially in the early phases of planning, especially when only a small amount of series of tests are carried out and therefore mini-mum data is available.
MCDM can be used to find the “best” alternative under all available options at the same time considering many, often conflict-ing criteria and making assumption to different constraints. This paper illustrates a simple but effective approach to multi-attribute decision-making of automated process chains for planning and de-velopment in the early phases of production.
2. Methodology of MCDM Design The decision-making process can be divided into the following
5 steps as depicted in Fig. 1:
Fig. 1 General procedure of the multi-criteria decision analysis.
The first step includes discussion of the current state, formulat-ing the problem to solve and listing comparable process chains or single processes, examining available information (this raises issues about the extent of parameters, which can be measured, approxi-mated or are available) and describing the objective that raising the question: What are the constraints and which goals have to be reached for choosing the best process chain?
The next steps of this procedure model will be illustrated in the following sections.
2.1 Model
The decision matrix 𝑀 describes the performance of the alterna-tives (as rows) with respect to selected criteria (as columns) and is defined as set 𝑀 = {𝐀,𝐂,𝐖}, where 𝐴𝑖 , 𝑖 = 1, … ,𝑛, denotes the 𝑖th process chain, 𝐂 = (𝑐𝑖𝑗), 𝑗 = 1, … ,𝑚, the attribute matrix, where every column formally represents a criterion, and 𝑤𝑗 (𝑗 = 1, … ,𝑚) the corresponding weights:
(1) 𝐂 =
⎣⎢⎢⎢⎡𝑐11 ⋯ 𝑐1𝑗 ⋯ 𝑐1𝑚⋮ ⋱ ⋮ ⋱ ⋮𝑐𝑖1 ⋯ 𝑐𝑖𝑗 ⋯ 𝑐𝑖𝑚⋮ ⋱ ⋮ ⋱ ⋮𝑐𝑛1 ⋯ 𝑐𝑛𝑗 ⋯ 𝑐𝑛𝑚⎦
⎥⎥⎥⎤
, with 𝑐∙𝑗 ↦ 𝑤𝑗
The attributes represent the model values against which the al-ternatives will be evaluated (cf. [5, p. 52]) and are partitioned in two levels with 𝑀 = 3 upper level criteria, representing the three indica-tors 𝐼 (𝐼 = 1, . . ,𝑀), which we will describe shortly, and overall 𝑚 = 12 lower level criteria (see section 2.2). Let 𝐿𝐼 be the set of the lower level criteria for the first indicator (𝐼 = 1), namely the eco-nomic objective then 𝐿1 = {1,2,3,4}; the environmental objective with 𝐼 = 2 is formulated as 𝐿2 = {5,6,7,8,9}, and the performance objective with 𝐼 = 3 is represented by 𝐿3 = {10,11,12}. The model values for the alternative 𝐴𝑖 can then be formulated as vector 𝐴𝑖 = {𝑐𝑖1, 𝑐𝑖2, 𝑐𝑖3, 𝑐𝑖4, 𝑐𝑖5, 𝑐𝑖6, 𝑐𝑖7, 𝑐𝑖8,𝑐𝑖9, 𝑐𝑖10, 𝑐𝑖11, 𝑐𝑖12} with the corresponding weights 𝑤𝑗 = {𝑤1, … ,𝑤12}.
2.2 Model Values
The model values are based on three different multidimensional key performance indicators (KPIs) as already mentioned above, which represent an (i) economic, (ii) environmental and
31
(iii) performance objective. The term indicator and upper level cri-terion will be used as synonyms for KPI throughout the paper. The KPIs are calculated from real data of first series of tests or can be approximated. At the same moment they have the same function like constraints (see section 2.3). The criteria are arranged in two hierarchical levels with three upper level criteria (the KPIs) and overall 12 lower level criteria. An attribute is a property of an alter-native to be evaluated. That means 𝐼 = 1 has four lower level crite-ria, 𝐼 = 2 has five sub-criteria, and three other lower level criteria belonging to upper level criterion 𝐼 = 3. As mentioned before the attributes are evaluated against the alternatives, so that they are also called criteria, because of the one-to-one correspondence, concern-ing the evaluation of an alternative. Table 1 shows the KPIs with their related sub-attributes, the unit of measurement, and the direc-tion in which they should be optimized.
Table 1: The criteria represented by the three KPIs are displayed and sub-divided into their related attributes which form the corresponding KPI. The unit of measurement is listed as well. The direction of the optimization for the decision-making is displayed in the last column for every attribute. Component is abbreviated with comp.
KPI Sub-attribute Unit Direction Economic
Production Overhead [€/Comp.] Min Material Costs [€/Comp.] Min Personnel Costs [€/Comp.] Min Total Costs of Process
Chain [€/Comp.] Min
Environmental Energy Costs [€/day] Min Energy Costs [€/month] Min Energy Costs [€/year] Min CO2 Emissions [CO2 of kg
/year] Min
% of Renewable E. [%] Max Performance
Production Volume [Comp./day] Max [Comp./month] Max [Comp./year] Max
Even though the KPIs are formed by different attributes with different unit of measurements the strength of MCDM is shown here, because it can handle the hybrid nature of the unit of meas-urements of various attributes. For example material costs is meas-ured by euro per component, and production volume has the unit components per day. Also qualitative and quantitative attributes can be mixed.
Suppose we have two process chains, 𝑄 and 𝐶, of length 𝑛 and 𝑚, respectively, where
(2) 𝑄 = 𝑞1, 𝑞2, … , 𝑞𝑛,
(3) 𝑃 = 𝑝1, 𝑝2, … , 𝑝𝑚,
and 𝑞𝑖 and 𝑝𝑖 represent one process with their related machine, tool or material. The decision model is designed with its KPIs to compare different kind of process chains, no matter of what length they are or of which machines and tools they consist of. Each KPI is firstly calculated independently for every process in the chain be-fore they get merged to one value as illustrated in (Fig. 2). That ap-proach has the advantage that also numerous new features can be introduced into the model. Statistical values can be calculated (e.g. averages, standard deviations etc). For example this was done to introduce the attribute “total costs of the process chain” from the values personnel, material, and production overhead costs (Table 1). As next their calculation will be briefly discussed in this section.
Fig. 2 Illustration of the calculation for the three KPIs. Every sub-attribute is computed separately for every process before they get merged (accumulated) together to represent the sub-attributes which build up the hierarchical structure to represent the specific KPI for the whole process chain.
At first, boundary conditions have to be made, because they are necessary for the calculation. They include the following factors: (i) number of work shifts, (ii) working hours per shift [h], (iii) working days per year [d], (iv) pay rate for personnel [€/h], (v) material costs [€/unit], and (vi) energy costs [€/kWh]
The first indicator and its sub-attributes are calculated through cost accounting like implemented in [3]. Important sub-attributes are production overhead, personnel costs and material costs, and the sum of all as value process chain costs (Table 1). All these val-ues have the unit [€/component]. This has the advantage that the costs can be taken into causal consideration [3], this means that eve-ry cost attribute is calculated separately for every process in one process chain and are accumulated to form this KPI with its sub-attributes (Fig. 2). The values can be approximated or can come from accounting reports or other data sheets.
The second indicator represents information such as energy costs and environmental issues like the percentage of use of renew-able energy sources. The values can be actually measured or can come from data sheets from machines or tools. In early stages of production planning only the energy consumption may be available so that for every process the energy costs could be calculated and then accumulated in the end for the whole process chain:
(4) 𝐸 = 𝐸1 + 𝐸2 + 𝐸3 + ⋯+ 𝐸𝑝.
Here 𝐸1 formally represents the sub-attribute energy costs of the environmental objective (Table 1) for process1 of the process chain 𝐴𝑖 (Fig. 2). In the end every sub-attribute is accumulated for one process chain to get an overall value for the alternative. This is done for energy costs in all three unit of measurements (days/month/year).
The performance is measured through the third indicator. It is subdivided into production volume and is covered in three units of measurements (Table 1). The production volume per day can come from first test series or can be approximated if the cycle time for every process is available. The production volume per day, month and year can also be calculated roughly with the global assump-tions. For every process the sub-attributes are calculated separately and accumulated in the end to get a value for the whole alternative.
2.3 Prioritizing the KPIs by Weighting
Weighting is an important and essential issue in this process be-cause it reflects the preferences of a decision-maker and depends on different factors [6, 7]. For example production managers tend to rate technical and economic criterion and profitability higher than environmental issues like energy, fuel or gas consumption or the use of renewable energy sources, whereas operators of industrial robots might rate security at the working place and personnel loan higher than production volume. Through the different subjective perception of those authorities and operators the importance of those factors is different.
The preference (importance) of one attribute in comparison to another is modeled through weights. For each attribute 𝑐∙𝑗 a weight 𝑤𝑗 is assigned independently from one alternative as described ear-lier in section 2.1. The weights are standardized to 0 at the most un-
32
important and to 1 at the most preferred. Assigning weights to at-tributes is a way to prioritize the criteria that are considered the most important for decision makers or stakeholders. Let 𝑊𝐼 the weight for the indicator 𝐼 than for every low level criterion a weight 𝑤𝑗 is assigned, so that they sum up to 𝑊𝐼:
(5) ∑ 𝑤𝑗𝑗 ∈ 𝐿𝐼 = 𝑊𝐼 , with 0 ≤ 𝑊𝐼 ≤ 1,∑ 𝑊𝐼 ≤ M𝑀𝐼=1 .
The weights of all indicators can add up to 3 (see constraint in Eq. (5)) and each KPI must have a value in the interval [0,1]. The low level criteria 𝑐∙𝑗 , 𝑗 ∈ 𝐿𝐼 are dependent of the weight from their parent indicator 𝐼. The weights of each group of indicator 𝐼 add up to 𝑊𝐼. The assignment of the weights is independent from the alter-natives, however; they relate to the attributes in general and not to a specific value.
2.4 Assessment
To ensure that the calculated criteria are comparable the attrib-ute matrix 𝐂 is normalized between the interval [0,1] with the min-max-normalization rule [8]. Even if MCDM methods are suited dealing with large scales and the hybrid nature of attributes, works like [9] showed that normalization of all attributes may change the outcome and lead to a different assessment. If extreme values are present in the data set one attribute may get prioritized, but with scaling the assessment is not shifted towards possible outliers.
We use the value measurement approach to produce a prefer-ence order among all alternative (cf. [5, p. 85]). For that the utility (value) function 𝑈(∙) is formulated and associated with an alterna-tive in such a way that an alternative is represented as a value. If 𝐴𝑖 is preferred over 𝐴𝑖+1 then 𝑈(𝐴𝑖) > U(𝐴𝑖+1), if both alternatives are indifferent then 𝑈(𝐴𝑖) = U(𝐴𝑖+1). To calculate the utility (or use value) of an alternative 𝐴𝑖, weighted additive aggregation is used that takes the level hierarchy into account (cf. [5, 6, 9]):
(6) 𝑈(𝐴𝑖) = ∑ 𝑊𝐼 ∗ ∑ 𝑤𝑗𝑗 ∈ 𝐿𝐼 ∗ 𝑐𝑖𝑗𝑀𝐼=1 .
Where: 𝑈 − is the overall “score” (utility) for the alternative 𝐴𝑖, 𝑊𝐼 − is the weight for the upper level criterion 𝐼 (the 𝐼th KPI), 𝑐𝑖𝑗 − is the normalized attribute 𝑗 for the alternative 𝐴𝑖, 𝑤𝑗 − is the weight corresponding to the attribute 𝑗 in the attribute matrix 𝐶, and 𝐿𝐼 − is the set of indices that represent all attributes for the indica-tor 𝐼.
We propose the new function 𝑈�(∙) by using the basic utility function in Eq. (6) to turn the results in the positive direction, and extending the function with the parameter 𝜃:
(7) 𝑈�(𝐴𝑖 ,𝜃) = 2 ∗ s �1 − 𝑈(𝐴𝑖)𝜃�−1
, with 𝑠(𝑥) = (1 + exp�−𝑎 (𝑥 − 𝑏)�)−1.
The function allows an optimal representation of the results. The use values will not be negative when evaluating the perfor-mance of the alternatives: The higher the value the better the alter-native performs compared to the others. The factor 𝜃 represents the “strength of effect” or “uncertainty” of the result and is a positive value (𝜃 > 0). The new utility function in Eq. (7) has the following property
(8) lim𝜃→∞ 𝑈�(𝐴𝑖 ,𝜃) = 1, if 𝑎 = 𝑏 = 1.
The parameter can be varied to well-mark the difference of the evaluated alternatives. The higher the value 𝜃 the smaller the gaps between the results and the more difficult the decision will be. If 𝜃 becomes extremely large then all alternatives will not be discrimi-nable, because the output will be one. The decision-maker can use this knowledge if there is a high uncertainty in the future. The value can be set smaller if more series of test are conducted and set higher if only rough approximations are available or the values are expec-tations. An optimization of the parameter is a research base in an-
other paper based on the current available information and the pro-gress of the production planning.
With Eq. (7) the final assessment is then conducted with the maximum rule
(9) max𝑖=1,…,𝑛𝑈�(𝐴𝑖 ,𝜃),
which states that the alternative process chain 𝐴𝑖 with the high-est utility value is chosen. It is important here to note that the alter-native with the largest value will be selected as the “best” choice for the decision. That means that e.g. high production volumes will be favored as well as high production costs. If criteria like costs or en-ergy consumption should be minimized it is necessary to mark those values in the attribute matrix 𝐂 (see Eq. (1)) as negative ones (Table 1).1
3 Discussion To get insight of the effects of the model the following analyses
were conducted and afterwards discussed. This helps the decision-maker to understand how the model behaves in a changed environ-ment. For the example three random artificial alternatives are gen-erated with the following relationships:
a) (𝐶1 ≥ 𝐶2) ∧ (𝐶2 > 𝐶3)
b) (𝐸1 ≤ 𝐸2) ∧ (𝐸2 ≪ 𝐸3)
c) (𝑃1 < 𝑃2) ∧ (𝑃3 ↔ 2 𝑃2)
The expressions of the cost (C), energy (E) and performance (P) among the alternatives can be interpreted as follows: a) The costs of 𝐴1 are greater or equal than 𝐴2, but nearly the same, where 𝐴3 has the lowest costs for the production; b) Both 𝐴1 and 𝐴2 have much lower energy consumption than 𝐴3, but 𝐴1 consumes less energy than 𝐴2; c) 𝐴1 has the lowest production volume and 𝐴3 produces twice as much than 𝐴2. The relationships are intentionally simpli-fied for a easier understanding of the results of the model.
3.1 Uni-Criterion Analysis
To begin the analysis of the model we ran a “uni-criterion” analysis to have an overview of the technical performance of each alternative for each criterion independently to measure the influence of the weights. This was done using Eq. (7), by steadily increasing the weight of the selected criterion 𝑊𝐼(𝐼 = 1, . . ,𝑀) by 0.1 begin-ning from 0 to 1 and settings the weights of all other KPIs to zero with 𝑊𝐾 (𝐾 ≠ 𝐼). That is done for all three KPIs separately to pri-oritize each indicator once. The results are presented in Fig. 3.
Fig. 3 Representation of the variation of the outcomes if the importance of the KPIs is changing.
If only the economic objective is considered then 𝐴3 is always the best option. But an outlier from 𝐴1 can be seen that performed nearly as well as the results around the median from 𝐴3. That hap-pened if low weights like 0.1 were used (that means no importance for that indicator). For the environmental objective one can say that 𝐴1 and 𝐴2 are the best options. Changing the weighting has no sig-nificant influence at the outcome for both (the variation in the data is small). Only for 𝐴3 a high variation in the data can be seen. The
1 Alternatively it is possible to use the minimize function in Eq. (9) in-stead so that only the attributes of the performance indicator has to be nega-tive.
33
outliers from 𝐴3 were created due to using a low weight like 0.1 which means that the KPI should be considered unimportant—through that fact a suboptimal alternative can perform as well as another in terms of a KPI if it is not considered important. If only the performance indicator is regarded then 𝐴3 clearly is the best option between the other alternatives. Because 𝐴1 and 𝐴2 have the worst production volumes (see expression c) above) the weighting has not much influence on both. As explained before the same ap-plies here: A low weight like 0.1 creates an outlier for 𝐴3, which means that even the other two alternatives perform similar although 𝐴3 has the highest production volume.
The results from the “uni-criterion” analysis were averaged for every alternative and depicted in Fig. 4.
It can be seen that the model correctly interprets the relation be-tween the three alternatives. Disadvantages from alternatives can be compensated through low weights and may also lead to false con-clusions.
3.2 Considering the Strength of Effect
In next analysis a variation of the factor 𝜃 was introduced and analyzed, where a neutral weight distribution of one was used for every KPI. Fig. 5 shows therefore a visual comparison of various values. In this case 𝜃 is set to 𝜃 = {0.1, 0.5, 1, 4}. It can be seen that the higher the value the greater the differences between the three alternatives are. In early stages of production it is useful to set this factor greater or equal one. This can be used as a risk factor to avoid false decisions. In the case for 𝜃 = 0.1 the results of the three alter-natives are very wide apart (Fig. 5, left plot). The more precise data is available and the more progress in the manufacturing planning is made the lower this factor can be set to be more certain with the decision. For 𝜃 = 4 the outcomes are nearly the same (Fig. 5, right plot). It is up to the authority to determine the best value and will be discussed in further research.
Fig. 5 Variation of the factor 𝜽𝜽 (“strength of effect”) to illustrate the influence on the decision.
The evaluation of usefulness of an assessment depends on con-text and requires critical judgment of production manager and deci-sion-makers. The assessment can only evaluate the current state of the environmental factors. Normally there is a high uncertainty in the future for factors like energy prices, new technologies, material or infrastructure, laws etc. that may heavily change the outcome.
4 Conclusions In this paper a prototype of a new decision-making model is
proposed that can be used in the early stages of planning and pro-duction for new manufacturing chains. For the assessment three base KPIs with a hierarchical attribute structure were determined to
represent an economic, environmental and a performance objective. A modified additive weighting aggregation approach from the clas-sical value measurement theory was used in combination with addi-tional factors that can be parameterized to change to outcome which is not common yet in literature.
It can be updated if new information are available and can then be compared to the previous assessments to evaluate the improve-ment. Furthermore the global boundaries can be changed to create “scenarios” like increasing production volume or energy prices. Maybe an alternative is favorable if the global boundaries are dif-ferent.
Further work is dedicated to the integration of more environ-mental factors (e.g. carbon-footprint) and extending the perfor-mance objective by adding methods from data envelopment analysis (DEA). Additionally the goal is to provide simulation capabilities in the model and adding support for conducting multiple decisions at the same time and aggregating the results in an appropriate form. Decision-making under uncertainty will be further considered in the model as well. It is proposed to add an error term 𝜖 to the model, where 𝜖 reflects the uncertainty of the future assumed inde-pendently and normally distributed with 𝜖~𝑁(0,𝜎𝜖2).
5 Acknowledgements This work was performed within the Federal Cluster of Excel-
lence EXC 1075 “MERGE Technologies for Multifunctional Lightweight Structures” and supported by the German Research Foundation (DFG). Financial support is gratefully acknowledged.
6 References
1. T. M. Pollock, "Weight Loss with Magnesium Alloys," Science, vol. 328, no. 5981, pp. 986-987, 2010.
2. Y. Zhang, P. Zhu and G. Chen, "Lightweight Design of Automotive Front Side Rail Based on Robust Optimisation," Thin-Walled Structures, vol. 45, no. 7–8, pp. 670-676, 2007.
3. "Energy-related and economic balancing and evaluation of technical systems – insights of the Cluster of Excellence eniPROD," 2013.
4. N. Weinert, S. Chiotellis and G. Seliger, "Methodology for planning and operating energy-efficient production systems," CIRP Annals-Manufacturing Technology, vol. 60, no. 1, pp. 41-44, 2011.
5. V. Belton and T. Stewart, Multiple Criteria Decision Analysis: An Integrated Approach, Springer US, 2002.
6. M. Weber and K. Borcherding, "Behavioral influences on weight judgments in multiattribute decision making," European Journal of Operational Research , vol. 67, no. 1, pp. 1-12, 1993.
7. J. Palma, A. Graves, P. Burgess, W. van der Werf and F. Herzog, "Integrating environmental and economic performance to assess modern silvoarable agroforestry in Europe," Ecological Economics, vol. 63, no. 4, pp. 759-767, 2007.
8. K. Priddy and P. Keller, Artificial Neural Networks: An Introduction, Society of Photo Optical, 2005.
9. K. Steele, Y. Carmel, J. Cross and C. Wilcox, "Uses and misuses of multicriteria decision analysis (MCDA) in environmental decision making," Risk analysis, vol. 29, no. 1, pp. 26-33, 2009.
Fig. 4 Average results in each group for every alternative if different weights are used in the “uni-criterion” analysis. Only one objective is considered at a time by setting the weights of the other objectives to zero.
34
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ КОММЕРЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
FEASIBILITY CRITERIA COMMERCIAL IMPLEMENTATION OF NEW TECHNOLOGIES
Топ-менеджер Ускова И., Топ-менеджер. Чекунова-Томашева Н. -
НИТУ МИСиС, Москва, Россия [email protected]; [email protected]
Abstract: Techno-economic analysis of the commercial feasibility of the research project should provide a reasonable financial-economic assessment «market advantage» project, which is determined by the technical advantages of the products in comparison with the best analogs, the ratio of projected prices of the products and prices analogues on the world market, the development costs of production and application of new products. The criterion for commercial feasibility of the research project must be the optimal ratio of economic effects and profits for all links of the system «Science - Production». The ratio of these influencing the formation of the economic effect produced Consumer goods determine the favorableness (adverse) market situation, as a Consumer of material and Manufacturer of products. Given this, the Manufacturer of the new material must realistically assess their operational capabilities, and particularly the expected sales. KEYWORDS: TECHNO-ECONOMIC ANALYSIS, COMMERCIAL REALIZATION, ECONOMIC EFFECT, THE DEVELOPER, INVESTOR, CONSUMER
1. Введение
Осуществление экономически эффективной инвестиционной политики в системе «Наука - Производство» требует проведения комплексного делового планирования. Деловое планирование призвано объединить все этапы осуществления предпринимательского проекта от идеи до рыночной реализации. Оно включает в себя: − выбор возможных путей реализации идей; − выявление наиболее реальной области внедрения и оценку
осуществимости проекта на основе технико-экономического обоснования;
− разработку детализированного бизнес-плана на этапе НИОКР;
− определение планируемой эффективности внедрения (финансовые объемы производства, размеры прибыли, сроки окупаемости инвестиций)
2. Результаты и дискуссия Критический анализ объекта планирования помогает
определить технико-экономические показатели проекта, не упуская вопросы организации коммерческой реализации и оценки рыночной перспективы. Такой подход позволяет приступить к выработке плана конкретных действий, направленных на достижение поставленной цели, заранее предвидеть возможные трудности, предотвратить их перерастание в серьезную проблему, а значит найти пути оптимальных организационно-экономических решений.
В рыночных условиях хозяйствования научно-технический прогресс можно рассматривать как единую цепь: «Научные идеи и инновации – инновационно-инвестиционный бизнес – коммерческая реализация» [1]. Укрупненная блок-схема основных этапов бизнес-плана различных видов НТП, представлена в таблице 1. Таблица 1. Укрупненная блок-схема основных этапов бизнес-плана Наименование раздела Состав раздела Цель
Резюме Результаты и вывод бизнес-плана
Объективная оценка проектного предложения
Исходные данные и характеристика
Функциональные особенности; местоположение; условия использования территории
Основание для анализа и расчетов
Прогноз конъюнктуры рынка
Современное состояние и тенденции макроэкономических процессов в инвестиционной сфере
Прогноз коммерческой деятельности привлекаемых инвесторов - объектов хозяйствования
Стратегия маркетинга
Маркетинговая ситуация, программа осуществления стратегии
Влияние положительных и отрицательных факторов спроса, покупательной способности, формирование ценовой политики
Организация работ и финансирование
Блоки и этапы программы; организация работы; установления форм собственности; виды и источники финансирования
Блок-схема организации работ (последовательность) и финансирование по периодам реализации проекта (программы)
Определение затрат
Единовременные и текущие затраты, прогнозирование инфляции распределением по источникам финансирования
Объемы и структуры затрат по видам, источникам и направлениям
Определение доходов
Виды производства, себестоимость, условия ценообразования, налогообложения, получение валового и чистого дохода
Объем производства, себестоимость работ
Формирование потока чистых средств
План и структура управления, источники водоснабжения, электроэнергии и т.д.
Баланс финансовых расходов и поступление с учетом всех видов необходимых налогов
35
Оценка экономической, коммерческой, социальной эффективности
Расчетные показатели и их интерпретация: сроки окупаемости затрат; рентабельность инвестиций, точка безубыточности проекта и пр.
Экономическая, коммерческая, бюджетная, социальная эффективность инвестиций
Страхование коммерческого риска
Типы риска, условия их возникновения, возможный ущерб
Механизм предотвращения риска, формы и условия страхования
Организация планирования инновационной деятельности в методологии осуществления венчурного бизнеса представлена на рис. 1
Новые идеи,концепции,алгоритма
Новые, знания(область - фундаментальные
исследования)
Госбюджет
Инновационныепредложения
Поисковые НИР
Инвестиционныепредложения
НИР, в т.ч. НИР сэлементами НИОКР
ТЭО
НИОКР
Опытные образцы,подготовка
производства
Бизнес план
Средствазаказчиков,инвесторов
Собственныесредства
Маркетинговыеисследования
Фиг.1.Организация планирования инновационной деятельности
в методологии осуществления венчурного бизнеса
На первом этапе инновационного процесса проводится инжиниринговый анализ результатов фундаментальных исследований (идеи, концепции, закономерности). Финансирование осуществляется в основном из госбюджета на безвозвратной основе.
На втором этапе проводятся исследования прикладного характера. Они финансируются как за счет бюджета, так и за счет средств заказчиков или инвесторов. С этого этапа возникает возможность потери вложенных средств в разработки инновации, что предопределяет рискованный характер бизнеса.
На третьем этапе осуществляются экспериментальные разработки. Источники финансирования те же, что и на втором этапе, а так же собственные средства организаций.
На четвертом этапе осуществляется процесс коммерциализации от запуска в производство и выхода на рынок и далее по основным этапам жизненного цикла продукции [2].
Инновационные предложения. Содержание инновационного предложения должно быть
направлено на обоснование выполнения поисковых научных исследований, направленных на создание научного задела в области высоких технологий. Инновационное предложение должно включать: 1. Информацию об объекте исследования или разработки, области применения, цели, путях решения, методах или методологии проведения поисковых исследований, в формулировках которых, особое внимание целесообразно обратить на научную обоснованность выбранных направлений прикладной деятельности. 2. Результаты ранее выполненных теоретических и (или) экспериментальных исследований, характеризующие: 2.1. новизну разработки; 2.2. основные технологические, технические, эксплуатационные, экономические показатели преимуществ планируемой к разработке продукции в сравнении с аналогами 2.3. перспективность разработки с учетом оценки ожидаемой потребности отечественного и зарубежного рынков: - прогноз выхода на отечественный рынок, в особенности с учетом импортозамещения, на основе создания соответствующих научно-производственных структур; - возможность экспорта. 3. Рекомендации по развитию дальнейших исследований, проведению ОКР и внедрению результатов НИОКР. Инновационное предложение должно заканчиваться поисковыми НИР. Инвестиционное предложение Содержание инвестиционного предложения должно быть направлено на обоснование выполнения научно-исследовательских работ как составной части НИОКР, ориентированных на создание и внедрение экономически эффективных высоких технологий. Инвестиционное предложение должно включать: 1. Информацию об объекте разработки, состоянии и
перспективах развития рынка, цели НИОКР, путях решения поставленных задач, методологии проведения работы, ориентированной на достижение конечного результата НИОКР (опытный образец, опытная партия, опытное производство).
2. Планируемые результаты НИР, в особенности, характеризующие новизну разработки, основные технологические, технические, эксплуатационные, экономические преимущества создаваемого продукта, в т.ч.: 2.1. определяющие технические показатели, на
подтверждение которых должны быть направлены теоретические и лабораторные исследования изготовленных в ходе выполнения НИР экспериментальных образцов или (и) экспериментальных технологий;
2.2. прогнозируемая цена продукции, рассчитываемая на основе укрупненной сметной калькуляции;
2.3. образующийся у потребителя экономический эффект; 2.4. жизненный цикл продукции; 2.5. сроки и объемы финансирования НИОКР;
36
2.6. наличие подтвержденной заинтересованности в результатах разработки потенциальных потребителей.
Технико-экономическое обоснование (ТЭО)
Содержание ТЭО должно быть направлено на обоснование выполнения опытно-конструкторских работ как завершающей стадии НИОКР, ориентированной на дальнейшее экономически эффективное внедрение создаваемых высоких технологий в производство, в том числе с учетом прогнозируемых изменений требований на данную продукцию в течение ее жизненного цикла и соответственно предполагаемых этапов ее модернизации. ТЭО должно включать: 1. Информацию об объекте разработки, методологии
проведения работы ориентированной на внедрение продукции в производство, путях решения поставленных задач.
2. Результаты маркетинговых исследований: 2.1. технические преимущества в сравнении с аналогами; 2.2. анализ цен на товары - аналоги; 2.3. оценка и прогнозирование емкости рынка, включая прогноз объемов продаж; 2.4. возможность импортозамещения и трансферт на международные рынки. 3. Планируемые характеристики производственного
процесса (необходимое оборудование, производственные мощности).
4. Обоснование достижимости запланированных технических показателей.
5. Развернутая характеристика развития финансовых потоков на стадиях подготовки и осуществления
производства (поквартально, в течение 2-3 лет). Планируемая цена продукции, рассчитываемая на основе расширенной сметной калькуляции (поквартально, в течение 2-3 лет).
6. Коммерческая перспективность: 6.1. экономический эффект, возникающий у потребителя; 6.2. срок окупаемости инвестиций. 7. Порядок постановки продукции на производство [3].
3.Заключение. Соотношением этих влияющих на формирование
экономического эффекта, образующегося у Потребителя изделий определяют благоприятность (неблагоприятность) рыночной ситуации, как для Потребителя материала, так и для Производителя изделий. Учитывая это, Производитель нового материала должен реально оценивать свои производственные возможности и особенно ожидаемый объем продаж.
4. Литература [1]. Шаленкова О. «Методика количественной оценки синергетического эффекта как ключевого фактора в принятии решения о проведении сделовк М&А». Москва. Журнал «Слияние и поглощение», №1, 2008 г., стр 45 [2].I.E. Uskova, T.B. Rubinstein, T.A. Kasatkina. Determination of performance criteria for mergers and acquisitions in the metals industry. Metalurgija, № 3 Zagreb ,Croatia, 2010 [3]. I.E. Uskova, N.L. Chekunova-Tomasteva. Typical potentional investors for innovative oriented R&D. Metalurgija, № 3 Zagreb, Croatia, 2012
37
ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ В СИСТЕМЕ ПЛАНИРОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
REASONING AND DEVELOPMENT OF SUPLEMETARY MANUFACTURABILITY INDICATORS IN PROCESS PLANNING SYSTEM
Ph.D, assoc. prof. Mitin S., Dr. Sc., prof. Bochkarev P. Ph.D, assoc. prof. Bokova L.
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russian Federation Abstract: The article touches upon manufacturability as a main concept of mechanical engineering. There are given a reasoning of supplementary manufacturability indicators and development of techniques for evaluation of manufacturability by using these indicators in process planning system. The developed techniques can be used in conditions of multiproduct manufacturing in integrated computer-aided design and manufacturing systems to obtain an objective evaluation of manufacturability of processed parts and to get recommendations about efficient using of tooling equipment capabilities. KEYWORDS: MANUFACTURABILITY, DESIGN AUTOMATION, CAPP, MULTIPRODUCT MANUFACTURING
1. Введение Одним из базовых понятий технологии машиностроения
является технологичность. Технологичность конструкции является определяющим фактором при формировании затрат на изготовление и дальнейшую эксплуатацию изделий, поэтому задачи разработки и оптимизации конструкции изделий необходимо решать, опираясь на возможности конкретной производственной системы, в которой предполагается их изготовление [1]. Понятием, которое определяет соответствие запланированных для изготовления изделий возможностям производственной системы, является производственная технологичность. Современные положения технологии машиностроения не позволяют решить, в полной мере, задачу оптимизации конструкции изделия с точки зрения технологичности, а задача отработки конструкции изделия на производственную технологичность с учётом конкретных условий производства до настоящего времени не ставилась.
Оценка технологичности, во многом, является субъективной, зависящей от опыта и знаний отдельных конструкторов и технологов, что не учитывает существенно расширяющиеся возможности современного оборудования и не позволяет обеспечить эффективность его эксплуатации [2]. Следовательно, необходима разработка инструмента для поддержки принятия решений, позволяющего объективно оценить технологичность конструкции проектируемых изделий относительно условий и возможностей конкретной производственной системы. Процесс оценки технологичности изделий является противоречивым и сложноформализуемым, поэтому реализация оценки технологичности проектного решения возможна только после создания моделей, адекватно отражающих связь между конструктивными элементами изделий и технологическими свойствами производственных систем. Следует отметить, что существующая система показателей позволяет установить такую связь на уровне сложившихся к настоящему времени конструкторско-технологической стандартизации и унификации, однако она обладает рядом недостатков, главными из которых является отсутствие направленности на конкретную производственную систему, в которой будет выполняться обработка деталей, и независимая оценка производственной технологичности каждой детали, хотя в условиях многономенклатурного производства для его экономически эффективного функционирования важна не только унификация на уровне отдельных конструктивных элементов одной детали, но и унификация конструктивных характеристик для всей номенклатуры деталей, обрабатываемых одновременно в рамках производственной системы.
2. Предпосылки и средства решения проблемы Проводя анализ известных методик оценки
производственной технологичности, следует отметить подход, в основу которого положено установление связей между частными показателями технологичности и их влиянием на технологические составляющие обработки [3]. Отличительной особенностью данного подхода является разработанное представление об исходных данных для расчета показателей технологичности, которое включают как информацию по рассматриваемой детали, так и систематизированную справочно-методическую информацию, связывающую конструктивные характеристики элементов детали с технологическими методами их получения. Однако этот подход обладает рядом недостатков:
• не направлен на оценку технологичности для конкретной производственной системы, в которой будет выполнятся обработка детали;
• справочная и нормативно-техническая информация, используемая в качестве составления исходных таблиц для расчета, требует постоянных корректировок, что отражается на методике вычисления, особенно в установлении применяемых весовых коэффициентов показателей;
• методика расчета не отражает тип производства и особенности как самой производственной системы, так и применяемые подходы к технологической подготовки производства;
• ведётся оценка производственной технологичности отдельно каждой детали.
В наибольшей степени указанные недостатки и требования учтены при разработке системы автоматизированного планирования многономенклатурных технологических процессов (САПМТП) [4], которая в рамках комплексной автоматизации процесса конструкторско-технологической подготовки производства позволяет автоматизировать количественную оценку на производственную технологичность в условиях многономенклатурных механообрабатывающих систем [5].
Основой информационного обеспечения САПМТП является база данных по технологическим возможностям оборудования, структура которой обеспечивает прямую взаимосвязь между конструктивными характеристиками, требованиями точности, качества поверхностей изготавливаемых изделий и технологическими способами их обеспечения, относящимися к каждому конкретному представителю оборудования, которое имеется в рассматриваемой производственной системе.
38
3. Решение рассматриваемой проблемы На основе сформулированных требований к оценке
производственной технологичности, учитывающих условия конкретной производственной системы и ориентацию на особенности многономенклатурных систем механообработки, выявленных взаимосвязей между производственной технологичностью и ее влиянием на технологические составляющие обработки, обоснован состав дополнительных показателей оценки производственной технологичности, созданы математические модели и методики, позволяющие сделать заключение о возможности рационального обеспечения параметров деталей при их обработке в конкретной производственной системе (рис. 1).
Вычислительные процедуры оценки производственной технологичности разделены по функциональным задачам на две группы. В задачу первых входит отсев деталей, изготовление которых невозможно в условиях данной производственной системы с установлением конструктивно-технологических причин. Такое заключение дается при определении показателя возможности изготовления заданной номенклатуры деталей. В задачу вторых входит формирование технико-экономического заключения о соответствии комплекта обрабатываемых деталей возможностям производственной системы и выработка предложений по оптимизации конструкции деталей с точки зрения производственной технологичности.
Для определения возможности изготовления заданной номенклатуры деталей на основе базы данных технологических возможностей оборудования САПМТП формируется матрица максимально достижимых показателей
точности и качества обработки для каждого вида элементарных поверхностей на каждой из групп оборудования
),( klmAmA = (l=1,2,…, L; k=1,2,…, K), (1)
где Am – группа технологического оборудования; l – номер вида элементарной поверхности; L – общее число элементарных поверхностей, возможных для обработки на имеющемся оборудовании в рамка рассматриваемой производственной системы; k – номер характеристики качества поверхности; K – общее количество характеристик качества поверхностей деталей; Am(l,k) – значение k-ой характеристики l-ой элементарной поверхности, получаемое при обработке на m-ой группе оборудования; m – номер группы технологического оборудования (m=1,2,…, M); M – количество групп технологического оборудования в рамках производственной системы.
На основе сформированной матрицы (1) определяются элементы матрицы возможных максимальных показателей качества обработки для каждого вида элементарных поверхностей для производственной системы в целом
( )),(max, klmAmklПП == , (2)
где Пl(k) – максимально достижимое значение k-ой характеристики l-ого типа элементарной поверхности.
Для деталей на основе конструкторской документации формируется матрица с информацией о характеристиках обрабатываемых поверхностей
),( kjiaia = (j=1,2,…, J; k=1,2,…, K), (3)
Оценка наличия технологических методов изготовления
Показатель возможности изготовления заданной номенклатуры деталей
Определение возможности изготовления конструктивных элементов детали известными в настоящее время технологическими методами с применением имеющегося в рамках конкретной производственной системы оборудования и оснастки
Определение эффективности изготовления детали в условиях реально складывающейся производственной ситуации
Оценка технологических возможностей оборудования
Оценка степени использования потенциальных возможностей оборудования, имеющегося в конкретной производственной системе
Соответствие сформированного заказа на изготовление деталей возможностям эффективного функционирования производственной системы
Сравнение характеристик изготавливаемых конструктивных элементов деталей с максимальными технологическими возможностями оборудования
Определение степени использования функциональных возможностей оборудования с позиции увеличения концентрации технологических операций
Прогнозирование загрузки технологического оборудования при изготовлении заданной номенклатуры деталей
Установление возможности многовариантности при разработке и реализации технологических процессов изготовления деталей
Показатель технологичности детали по однородности технологического оборудования
Показатель использования технологических возможностей производственной системы
Показатель прогнозирования уровня загрузки технологического оборудования при обработке заданной номенклатуры деталей
Показатель многовариантности решений при проектировании и реализации технологических процессов
Рис. 1. Дополнительные количественные показатели оценки производственной технологичности
39
где ai – обрабатываемая деталь (i=1,2,…, I); I – количество деталей, запланированных для обработки в производственной системе в рассматриваемый период времени; J – количество элементарных поверхностей детали (для каждой детали различное количество); ai(j,k) – значение k-ой характеристики j-ой поверхности детали.
Процедура выполнения оценки технологической возможности изготовления заданной номенклатуры деталей в рамках рассматриваемой производственной системы заключается в сравнении элементов матриц (2) и (3) по столбцам для одинаковых видов элементарных поверхностей на предмет возможности достижения при обработке показателей качества, заложенных в конструкторской документации. Результатом является заключение о наличии в рамках производственного участка оборудования, технологические возможности которого позволяют изготовить детали с заданными техническими характеристиками. В случае отсутствия требуемого оборудования определяется деталь и техническое требование, обеспечение которого в данной производственной системе невозможно.
Наряду с установлением возможности изготовления заданной номенклатуры деталей немаловажным является показатель использования технологических возможностей производственной системы, который определяет степень соответствия используемого оборудования той номенклатуре деталей, которая запланирована для обработки. Учитывая постоянную изменчивость производственных заданий, свойственную производствам с единичным, мелко- и среднесерийным характером, задача рационального использования производственных мощностей является одной из ведущих для обеспечения эффективной работы производственной системы.
Вычисление показателя использования технологических возможностей производственной системы состоит из последовательно выполняемых процедур:
1) формирование матрицы максимально достижимых характеристик обработки элементарных поверхностей для производственной системы в целом (2);
2) формирование матрицы показателей использования технологических возможностей производственной системы при обработке элементарных поверхностей путём расчёта для каждой j-ой элементарной поверхности каждой i-ой детали по формуле
( ))min(max),(П
1)),((kk
kjial,kkjiaитвП
−
−−= , (4)
где l определяется по совпадению кода элементарной поверхности рассматриваемой детали и кода элементарной поверхности в матрице (2), maxk и mink – максимально и минимально достижимые значения k-ой характеристики, определяемые из научных основ технологии машиностроения;
3) формирование матрицы показателей использования технологических возможностей производственной системы для каждой детали;
4) определение показателя использования технологических возможностей системы в целом
I
iaитвПI
iитв(пс)П
)(1
∑== .
(5)
Наряду с оценкой показателя использования технологических возможностей оборудования по конструктивным и точностным характеристикам деталей существует необходимость определить степень возможной концентрации технологических операций, так как специфика функционирования многономенклатурных производственных систем, заключающаяся в постоянном обновлении выпускаемой продукции, направлена на повышение концентрации технологических операций для максимального использования функциональных возможностей современного
оборудования. Количественным выражением этой оценки является показатель технологичности детали по однородности технологического оборудования. Его расчёт производится путём выполнения следующих проектных процедур:
1) определение возможности обработки элементарных поверхностей детали на оборудовании в рамках рассматриваемой системы;
2) анализ возможности объединения обработки отдельных элементарных поверхностей в рамках одной технологической операции;
3) оценка возможности объединения обработки на одном оборудовании различных элементарных поверхностей на основе кластерного анализа.
Полученный показатель позволяет провести оценку соответствия конструкции и характеристик поверхностей детали возможностям технологического оборудования в рамках рассматриваемой производственной системы с позиции достижения требуемых значений концентрации технологических операций. Это для условий многономенклатурного производства является одним из определяющих факторов обеспечения качества выполнения работ (снижения количества переустановок детали) и эффективного функционирования оборудования за счет снижения количества переналадок, вспомогательного времени при выполнении операций и организационных затрат.
Другим важным показателем эффективной работы многономенклатурных производственных систем механообработки является рациональная загрузка технологического оборудования. Условием её обеспечения является многофункциональность имеющегося оборудования, при этом характеристики сформированной номенклатуры и программа выпуска деталей должны позволять равномерно использовать все группы оборудования в рамках имеющейся производственной системы, что и определяется при расчёте показателя прогнозирования уровня загрузки технологического оборудования при обработке заданной номенклатуры деталей. Его вычисление производится в следующем порядке:
1) формирование вариантов обработки элементарных поверхностей на основе, исходной матрицы использования технологического оборудования (1);
2) определение времени обработки элементарных поверхностей по укрупнённым формулам;
3) расчёт вероятности выполнения обработки элементарных поверхностей на каждом оборудовании;
4) вычисление времени реализации технологических операций для каждой группы оборудования при изготовлении деталей из заданной номенклатуры;
5) моделирование работы системы массового обслуживания и расчёт коэффициента загрузки оборудования;
6) расчёт среднего показателя загрузки оборудования. По значению данного показателя можно сделать
заключение как по рациональности комплектования обрабатываемых в рассматриваемый промежуток времени деталей, так и по рациональности состава технологического оборудования в производственной системе в части соответствия его производственному заданию.
Вместе с тем, функционирование многономенклатурных производственных систем механообработки связано с неизбежными постоянными изменениями производственной ситуации. Поэтому создание условий для многовариантности реализации обработки деталей даёт возможность адаптировать процесс изготовления к реально складывающейся производственной ситуации, тем самым обеспечивая лучшие технико-экономические показатели работы производственной системы.
От конструктивных характеристик деталей, запланированных для обработки, во многом зависит возможность наделения создаваемых технологий свойством многовариантности, которую можно спрогнозировать при расчёте показателя многовариантности решений при проектировании и реализации технологических процессов на
40
основе данных о многообразии выбора технологического оборудования при выполнении обработки отдельных поверхностей деталей.
4. Результаты и дискуссия Предлагаемые показатели оценки производственной
технологичности дополняют известные показатели и используют дополнительную исходную информацию, включающую данные о технологических возможностях оборудования, содержащуюся в информационном обеспечении системы планирования многономенклатурных технологических процессов.
Отличительной особенностью оценки производственной технологичности с применением разработанных показателей является то, что определяется не абстрактная производственная технологичность деталей, а технологичность для конкретной производственной системы. Таким образом, не только более корректно делается заключение об обеспечении заданных характеристик изготавливаемых деталей и уровне сложности подготовки производства, но и прогнозируется эффективность функционирования производственной системы при изготовлении изделий.
Оценка показателя возможности изготовления деталей в условиях производственной системы позволяет сделать заключение о наличии технологического оборудования, которое обеспечивает при обработке получение всех технических требований к изготавливаемым деталям, тем самым снижается степень субъективного подхода к принятию технологических решения и вероятность получения брака.
Показатель использования технологического оборудования позволяет принимать решения по уровню использования его функциональных возможностей, что для условий многономенклатурного производства является одним из важнейших факторов конкурентоспособности производства.
Уровень показателя однородности по использованию оборудования с позиции увеличения концентрации технологических операций и обеспечения условий для формирования рациональных структур операций связан как с качественными, так и с экономическими параметрами производства. Повышение концентрации операций обеспечивает сокращение технологических маршрутов, что сказывается на обеспечении качества изготовления деталей. Кроме того, сокращаются затраты на переналадку технологического оборудования. Структура технологических операций является определяющим фактором, позволяющим путём её оптимизации сократить основное время выполнения операций за счет применения параллельной обработки, сократить вспомогательное время и рационально использовать средства технологического оснащения.
Значение показателя прогнозирования уровня загрузки технологического оборудования даёт представление о загрузке отдельных групп оборудования и всей производственной системы и временных производственных затратах при обработке запланированной номенклатуры деталей.
Показатели многовариантности обработки деталей позволяют оценить потенциальные возможности выбора наиболее рациональных вариантов на стадиях проектирования и реализации технологии с учетом складывающейся производственной ситуации, это позволяет за счёт обеспечения более равномерной загрузки оборудования и снижения непроизводственных затрат сократить время работы производственной системы по изготовлению заданной номенклатуры деталей.
Количественные значения показателей в зависимости от особенностей, целей и задач производства позволяют сформулировать рекомендации по совершенствованию конструкции деталей, обоснованию комплектности номенклатуры деталей, соответствию состава технологического оборудования требованиям к обрабатываемым деталям в зависимости от значений отдельных показателей.
5. Заключение Таким образом, обоснован состав дополнительных
показателей количественной оценки на производственную технологичность деталей, разработана система поддержки принятия решений на основе расчёта предложенных показателей, что даёт возможность максимально использовать конструкторско-технологические резервы для решения задач повышения технико-экономических показателей изготовления и изделий. Разработанные методики для количественной оценки дополнительных показателей производственной технологичности механообрабатывающих производств учитывают специфику технологической подготовки единичного, мелко- и среднесерийного производства и ориентированы для использования в системе планирования многономенклатурных технологических процессов.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ
МК-1835.2013.8
6. Литература 1. Бокова, Л. Г. Технологичность как фактор повышения
эффективности конструкторско-технологической подготовки механообрабатывающих производств / Л. Г. Бокова, П. Ю. Бочкарёв // Вестник Дагестанского научного центра РАН, Махачкала.–2012, № 45.– С.29-31.
2. Бочкарёв П.Ю. Оценка производственной технологичности изделий с учетом состояния многономенклатурного автоматизированного производства / П. Ю. Бочкарёв, С. Г. Митин, Л. Г. Бокова // Международный технологический форум «Инновации. Технологии. Производство»: Сборник тезисов докладов. – Рыбинск: РГАТУ имени П.А. Соловьева, 2014.– С.77-78.
3. Сагателян, Г.Р. Анализ технологичности конструкций деталей приборов, изготовляемых методами обработки материалов резанием / Г.Р. Сагателян, Н.Р. Руденко, Н.Г. Назаров.–М.: МГТУ. 1995.–32 с.
4. Бочкарёв, П. Ю. Системное представление планирования технологических процессов механообработки / П. Ю. Бочкарёв // Технология машиностроения.– 2002, № 1.– С.10-14.
5. Митин, С. Г. Разработка технологических операций с учётом показателя технологичности в системе планирования многономенклатурных технологических процессов / С. Г. Митин, П. Ю. Бочкарёв, Л. Г. Бокова // Вестник Саратовского государственного технического университета. –2011, № 3(58).– С.101-105.
41
COMPARISON BETWEEN PROJECT MANAGEMENT AND SOFTWARE PROJECT MANAGEMENT
M.Sc. Ivanova Milka
Faculty of Mechanical Engineering – Technical University of Sofia, Bulgaria
Abstract: Software project management encompasses the knowledge, techniques and tools necessary to manage the development of software products. Software project management remains different from project management in other more established fields for a number of reasons. Software is “brain product” only, unconstrained by the laws of physics or by the limits of manufacturing processes. In the report discusses topics that managers need to create a plan for software development using effective estimation of size and to execute the plan with attention to productivity and quality.
In the report they have understand the concept of project management, software project management
Keywords: SOFTWARE, PROJECT MANAGEMENT, SOFTWARE PROJECT MANAGEMENT, PLANNING, ORGANIZING, MONITORING, ADJUSTING
Introduction Small and fairly simple software projects need project management. What differs among the various software projects is in the degree of management efforts. A large and complex software project would require some sophisticated project management skills and considerable effort, along with tools to aid the management tasks. The key is to strike a balance between lean project management and excessive project management, never letting it become too meager or too overbearing.
Many software engineering confuse software project management with the software engineering process and development life cycle. Software project management follows a management process to ensure that the appropriate software engineering process is implemented, but it is not itself a software engineering process. Figure 1 depicts the high-level flow of a software project manage-ment process and the four major sets of activities (known as РОМА) that are involved [2], [4]:
• Project Planning,
• Project Organizing,
• Project Monitoring
• Project Adjusting.
Figure 1 Software project management process
These four activities of РОМА may sometimes overlap. Most of the major portions of the activities are performed in sequence, a flow depicted by the large arrows in the figure. Project management ensures that the following goals are met:
• The end results satisfy the customer's need;
• All the desired product/project attributes (quality, security, productivity, cost, etc.) are met;
• Target milestones are met along the way;
• Team members are operating effectively and with high morale;
• Required tools and other resources are available and effectively utilized.
It is important to remember that a project manager cannot do this alone but has to work through the team members to accomplish these management targets.
Planning Planning is a natural first phase of any project. The success and failure of the project rides heavily on the results of proper planning. So many software projects tend to rush and minimize this phase citing schedule and cost constraints. Even with a well-planned project, it is not unusual to still see many changes and modifications. Some will use this reason to develop a poor plan or even totally skip planning. Having a well-conceived and documented plan, however, will help facilitate the anticipated modifications that often occur in a software project.
During the early planning phase, the answers to the following questions will contribute to the formulation of a project plan:
• What is the nature of the software project, who is sponsoring the project, and who are the users?
• What are the needed requirements and what are the desired requirements?
• What are the deliverables of the project?
• What are the constraints of the project (schedule, cost, etc.)?
• What are the known risks of the project?
Notice that these are very close to the same questions asked during the requirements gathering and analysis activities. Software engineering's requirements methodologies and process provide the directions on how to perform information gathering and analysis. Project management must ensure that there are qualified resources, proven methodology, and sample time set aside to perform the tasks related to answering these questions. Sometimes customers and users are asked to fund these activities separately; other times the software project organization will sponsor the activities as costs of doing business and fold them into the cost of the total project.
42
Sophisticated organizations realize the importance of this planning phase and are willing to pay for part of the activities.
Once the basic project requirements are understood, the rest of the project planning activities are much easier to perform and complete. The following activities are the major parts of project planning:
• Ensure that the requirements of the project are accurately understood and specified;
• Estimate the work effort, the schedule, and the needed resources/cost of the project;
• Define and establish measurable goals for the project;
• Determine the project resource allocations of people, process, tools, and facilities;
• Identify and analyze the project risks.
One of the most difficult tasks during this phase is defining realistic and measurable goals. We are used to making grand claims about software products-superior quality, easy to use, easy to maintain. We also like to claim that we have the most efficient and productive team members or most effective methodology. Unless these claims are well defined and measurable, they cannot serve as project goals because there will be no way of monitoring them. As happens in requirements gathering and analysis, a project manager will not be defining these goals alone. It usually is, and should be, a team effort. The success of a project is determined by whether the jointly planned and agreed to goals are achieved. Therefore, the project team members should all understand these goals and measurements. A goal or definition must be measurable so that as we are monitoring the project we can ascertain if the product will achieve the high quality expected.
This goal specification provides us with ways to measure the progress toward the final attainment of a goal. We сал quantitatively count the number of total functional requirements, the number of tested functional requirements, the number and severity of problems found during the test, and the number and severity of problems remaining at product release time. With these we can determine whether we have achieved the quality goal.
The goal of meeting project schedule should be stated with more than just a single date. It must be divided into multiple elements that can be measured along the way and the goals need to be quantitatively measurable and monitored throughout the project. Nonmeasurable goals are often said to be nonmanageable.
Another part of planning activities is the identification and analysis of risk items. There are very few projects with no risk. Software projects are fraught with cost overruns and schedule delays. Risk management thus becomes an integral part of software project management, and all risks must be considered during the planning phase. Risk management itself is composed of three major components: identification, p prioritization and mitigation
How do we identify risks? Some fertile areas to look for risks include new methodology, requirements new to the group, special skills and resource shortage, aggressive schedule, and tight funding. It is important to consider all possible items that might have a negative impact on the project Of course, such a list may be huge and impossible to work with, so it will be necessary to prioritize the risks and perhaps decide to consider and track only the high-priority problems. After a prioritized list of risks is agreed on, the planning process must include an activity set to mitigate these prioritized risks and to take some action. Hoping that some external force will magically appear and reduce the risks would be foolishly optimistic. A plan to mitigate these risks must thus be included during the project planning phase.
The activities in a project planning phase all contribute to developing an overall project plan. Depending on the projects, some project plans may be quick and short while others may be very
extensive and lengthy. The content of a project plan [3] must include the following basic items:
• Brief description of the project requirements and deliverables;
• Set of project estimations:
Work effort
Needed resources
Schedule
• Set of project goals to be achieved;
• Set of assumptions and risks.
The plan may be expanded to include a discussion of the problems to be resolved, differentiating between those problems that must be fixed and those that it would be nice to fix. A user and customer profile may be included.
Although it is true that there will always be many unknowns during the planning stage, the more thorough the project planning phase is, the higher the chance that project will be successful. This does not mean that there will be no change to the project or to the plan. Even the best planned project will face some changes as the earlier unknowns become dearer. There will also be some justifiable change of heart as the project progresses. All project managers and project team members should be prepared for such changes.
Organizing Once a project plan has been formulated or even before it has been completed, the organizing activities must be initiated. For example, as soon as we have the estimated resources planned, hiring and placement may begin. Table 1 shows how some of the planning and organizing activities may be paired and overlapped.
Table 1 Planning & Organizing Activities
Planning Organizing
Project content & deliverables
Project tasks & schedule Set up tracking mechanisms of tasks and schedules
Project resources Acquire, hire and prepare resources such as people, tools and processes
Project goals & measurement Establish mechanism to measure and track the goals
Project risks Establish mechanism to list, track and assign risk mitigation tasks
As soon as a specific planning activity such as risk planning is complete, we can establish the mechanism for tracking and mitigating the risks. The project manager does not need to wait for every planning activity to be finished before starting the organizing phase. The organizing phase requires more than broadband management skills.
Because software development and maintenance projects are more human intensive than most of the projects in other industries, it is vital that the project manager pay special attention to the personnel requirements and ensure that there is an organizational structure built in a timely manner and based on the project plan. Having a great plan and not being able to execute it due to a lack of, or a wrong grouping of, personnel is not always openly acknowledged because issues with people, organizations, and skill sets are often the most uncomfortable and emotional items to discuss.
43
During the organizing phase, other resources such as toots, education, and methodologies need to be scheduled, and preparations need to be made so that they are available at the correct time. Even though the plan may contain the appropriate financing for the resources, this is the phase when all problems related to procurement or financing of resources are rooted out and resolved.
In addition, all the mechanisms required for monitoring the project need to be defined and set up. In particular, the project goals that will be tracked during the monitoring phase need to be revisited, and all modifications to them should be made at this time.
Monitoring After the project plan is set and organized, the project still cannot be expected to just coast to a successful completion by itself. No matter how thoroughly the plan is prepared and how carefully the project is organized, the process is never perfect. Inevitably, some part of what was planned and organized will face a change.
There are three main components involved in project monitoring:
• Collection of project information
• Analysis and evaluation of the collected data
• Presentation and communication of the information
The monitoring mechanism must collect relevant information pertaining to the project. The first question is what constitutes relevant information. At a minimum, the planned and stated project goals must be monitored. The second question is how the information will be collected. These two issues should have been addressed during the planning and the organizing phases. Data collection comes in two modes. Some data are gathered through regular and formal project review meetings. In these reviews, preestablished project information must be available and presented without exception. If any exception does occur, it should be viewed as a potential problem and will deserve at least a quick look by the project manager. Other data are collected through informal channels such as management walk around a process of informal socializing that should be a natural part of the manager's behavior. In today's global economy and distributed software development, the collection of data through indirect and informal channels is becoming increasingly difficult in spite of the advances in technology. Direct human contact is a costly proposition for geographically distributed organizations. As a result, many managers will cut on travel expenses and opt to spend on equipment or some other directly visible item. Software project managers need to be especially sensitive to this because the software industry is still a human-intensive business.
The information collected through the regular and formal project review meetings are analyzed in a variety of ways. Most project managers will attempt to perform the analysis themselves. In large and complex projects that involve several organizations and a long time frame, there may need to be a small staff group that performs the data analysis with established techniques such as the following:
• Data trend analysis and control charts
• Data correlation and regression analysis
• Moving averages and data smoothing
• General model building for both interpolating and extrapolating purposes
The collected and analyzed information must be communicated, reported, and acted upon. Otherwise, the entire monitoring process may be construed as nothing more than a superfluous bureaucratic exercise. Information reporting requires different presentation styles and awareness of the fact that the way some information is presented and visualized can certainly sway the receivers of the information. For example, we all love to see the revenue chart showing a curve that goes upward from left to right. The following
are some of the more popular ways to visualize and report this information: Pie charts (to show proportion of different categories), Histogram (to show relative frequencies of different data value range in bar chart form), Pareto diagram (modified histogram – to show data in ascending or descending order), Time chart (to show the values of data trough time), Control chart (modified time chart – to show the values of data trough time in relationship to acceptable bounds) and Kiviat diagram (to show multiple metrics) [1].
Based on the monitored information, the project manager and the team would then collectively make decisions on whether the observations indicate a need for a change.
Adjusting Making adjustments is a crucial step in project management because the chance that a project requires no change is very small. If the monitoring process indicates any need for adjustment, then the project management team must take timely actions. The areas that need change may be many and varied. However, the most likely instruments for adjustment that are available to the project management are the following:
• Resources
• Schedule
• Project content
The resources are directly under the control of the project management. For the most part, projects are usually in need of more resources. When more resources are added to the projects, the timing of such additions is very important. Adding human resources to rescue schedules may often result in the reverse effect. New employees may slow down the existing, experienced workers on the project because of the amount of time the experienced people would have to take away from their assigned work to explain and bring the new person on board. Introducing a new tool or a new process at the wrong time can produce the reverse effects of elongating the time and cost.
In contrast, there are times when resources are reduced. An example of human resource addition and reduction that often happens in a software project would be temporary testers who are brought on board to perform well-planned and scripted tests but are released after the testing has been completed. This is a planned increase and decrease of human resources. The more familiar cases are the nonplanned situations where a schedule crunch or an unexpected change in project content forces the project team to consider adjustments in resources. Assuming the schedule crunch means that the schedule must be maintained but other parameters may change and then adding resources is one possible solution and must be seriously considered. There are times when a crucial human resource may drop off from the project. Then the project manage-ment team must consider the possibilities of adjusting either the schedule or the project content or both. Doing nothing and just asking the remaining people to bear the brunt may only work once or only for a short period of time. For the most part, the project management team must consider some actions against the schedule or against the project content when there is a resource change.
Another scenario is that a schedule needs to be kept intact or even shortened but lost resources cannot be replaced or added quickly enough. That leaves only the option of a reduction of project content, Reducing project content late in the project cycle, much like adding human resources, is not trivial. A designed and coded functional area that has some level of coupling to other parts of the software cannot easily be taken out without careful consideration of the other interrelated areas. The time and effort spent in reducing the project content in order to keep or shorten a schedule may in fact create additional work and increase the schedule. In the event that more skilled resources can be added very quickly and in time, then that may be a better solution than reducing project content. There are times when customers flatly ask for a schedule reduction
44
due to increased competition, or when the upper management of a software development organization may request an earlier product release than planned due to unplanned external events. In such cases, a change in schedule will affect and most likely require adjustments to resources or to product content or both. Again, schedule changes are often unplanned and require that an appropriate adjustment is made quickly.
Often there are also changes in project content that occur after the project requirements are set and the project is organized to start. Inevitably, it is the customer or the user who asks for a change or an addition. Sometimes it is just human error or the result of seeing some prototype function and having a better understanding. We have already discussed possible effects of late reduction of the project contents. Additions or changes to project content are also time sensitive. In any case, most of the changes in project content would require an adjustment in either schedule or resources or both.
These three parameters - resources, schedule, and project content, are often the three key factors that project managers focus on during the monitoring and the adjusting phases. Changing one usually affects the other two. Notice that another familiar attribute in software engineering, software quality, has not been brought into the adjustment and trade-off discussion. This is because software quality level, once agreed upon, should be tracked but should rarely be an element offered in the adjustment and trade-offs of the software project. Software engineers and management should be extremely careful not to trade quality for schedule or for other parameters
Summary We first introduced the four РОМА phases of software project management: (1) planning, (2) organizing, (3} monitoring, and (4) adjusting. РОМА is shown to be sequential at the macro level. However, the phases may overlap and may actually iterate among themselves, especially between the monitoring and adjustment phases. The complex and time-consuming planning phase is the key to project success. The monitoring phase is also important, and all projects must be monitored until the end. When necessary, the project manager must take actions and make the appropriate adjustments.
Project monitoring involves the ongoing comparison between what is planned and what is actual. Based on this observation, project managers would have to decide on whether any action, or adjustment, needs to be taken. Earned value management is introduced as a viable technique for monitoring the project effort and project schedule. This process essentially compares the planned or estimated project task efforts against those project task efforts that were actually expended. We have explained the need for setting goals and tracking the goals as part of project management, in order to accomplish those tasks, measurement is needed.
Literature: 1. Chank N. Mathematical Foundation, IEEE, 2012 2. Murray D., N. Sanford, Software Engineering Project
Management, University of London, 2012 3. Sommerville I, Software Engineering, Pearson Edition, 2007 4. Tsui F., O. Karam, B. Bernal, Software Engineering, Jones &
Bartlett Learning, 2010.
45
ПРОБЛЕМИ ПРИ ОРТОГОНАЛНОТО ПРОЕКТИРАНЕ НА ВЗАИМНО ПРЕСИЧАЩИ СЕ ЦИЛИНДРИЧНИ ПОВЪРХНИНИ
PROBLEMS IN THE DESIGN OF ORTHOGONAL INTERSECTING
CYLINDRICAL SURFACES
Аsst. Prof. Tsoneva Zoya PhD Department of Industrial Design Technical University of Varna
Abstract: The task of each intersection of cylindrical surfaces is a major in engineering graphics. The solution of such a problem cause many issues related to the actual size and shape of the intersecting bodies. Therefore, was conducted simulation program for three-dimensional modeling, to give a fairly complete and definitive vision of the designed objects. Presented is solution to the problem, supported by empirical evidence.
Keywords: ORTHOGONAL DESIGN, INTERSECTION OF CYLINDERS, DESCRIPTIVE GEOMETRY.
1. Увод Задачата от взаимно пресичане на цилиндрични
повърхнини е една от основните в инженерната графика. Решението на една такава задача предизвиква много въпроси свързани с действителните размери и форма на пресичащите се тела. Поради тази причина беше проведена симулация на програма за тримерно моделиране, която да даде достатъчно пълна и окончателна визия на проектираните обекти. Предложено е и още едно решение на разглежданата задача, подкрепено с емпирични доказателства.
2. Решение на задачата
Нека разгледаме решението на една от класическите задачи от взаимното пресичане на две цилиндрични тела.
Един от методите, който се използва е „сноп успоредни спомагателни равнини“. Тези равнини са успоредни и на образувателните на двата цилиндъра. Всяка от равнините пресича цилиндрите в по две образувателни. Четирите образувателни, които лежат в една и съща спомагателна равнина, се пресичат в четири точки от линията на пресичането [1] .
На фигура 1 е показано решението на една такава задача- взаимно пресичане на два цилиндъра, предлагано от почти всички учебници по дескриптивна геометрия.
Двата цилиндъра са зададени в общо положение – наклонени към хоризонталната и фронталната проекционни равнини.
При решаването на задачи от този вид, най-напред се построяват допирателните спомагателни равнини, с помощта на които се определят неучастващите в пресичането части от цилиндричните повърхнини (на чертежа на фиг.1 обозначено с щриховка) и се прави извод за характера на пресичането, т.е. определя се дали то е проникване или зазъбване [1]. Снопът спомагателни равнини са успоредни на дирята на проекционната равнина в която лежат осите на двата цилиндъра. За по-голяма нагледност и ергономичност при визуалното възприемане на ситуацията, спомагателните равнини са кодирани цветово. Редът на свързването на точките, определящи триизмерната пространствена крива на пресичането между двете тела съответства на цветовото кодиране.
Всеизвестно е, че цилиндричните тела са ротационни и освен това се проектират с един и същ диаметър в две от проекциите си, и като окръжност в третата, но само когато цилиндъра е в частно положение. Освен това всички образувателни са в истинска големина, както и поне една от основите на цилиндъра, но само при условие, че лежи или е успоредна на някоя от проекционните равнини (виж фиг. 2а). В случай, че цилиндърът е наклонен към някоя от проекционните равнини (т.е. в общо положение към една от тях), той отново се проектира с един и същ диаметър и в двете си проекции, но основата, която лежи в една от проекционните равнини, (случая показан на фиг. 2б – в хоризонталната) се проектира като елипса. Елиптичната основа запазва размера на диаметъра на цилиндъра по малката си ос, а голямата ос на елипсата обикновено перпендикулярна на малката, съвпада винаги с направлението на оста на наклонената ротационна цилиндрична повърхнина. Дължината на голямата ос на елипсата се определя от проекционната връзка със съседната проекция на тялото (фиг. 2б).
В случай, че цилиндричната повърхнина е разположено в
Фиг. 1 Взаимно пресичане на цилиндри
а)
б)
Фиг. 2 Проектиране на цилиндър – характерни особености
46
общо положение, то би трябвало тялото да се проектира отново с един и същ диаметър и в трите си проекции, тъй като разглежданият цилиндър е ротационно тяло, и всяка от образувателните му е разположена на едно и също разстояние от оста на тялото. Основата на цилиндричната повърхнина, лежаща в една от проекционните равнини, се проектира като елипса, а образувателните вече не се проектират в истинска големина. Доказателство за гореизложеното е представено на фиг. 3.
На фигура 3 са показани двете проекции на цилиндрично тяло и по-точно, на единия от цилиндрите от фиг. 1. Изрично трябва да се отбележи, че диаметъра на тялото е един и същ и в хоризонталната и във фронталната проекционни равнини. Намерена е и истинската големина на сечението. Вижда се, че сечението е окръжност.
В повечето от разгледаните литературни източници обаче диаметъра на цилиндъра в двете проекции е с различен диаметър, а доказателство за това се вижда на снимките представени на фигура 4. В тази ситуация обаче бихме си задали няколко въпроса: - В коя от проекциите диаметъра на цилиндъра е представен с истинската си големина? За какво точно цилиндрично тяло става въпрос?
Задавайки си тези въпроси, беше решена отново задачата от фиг. 3, но по начините предложени в литературните източници (от фиг. 4), а именно - основата на цилиндъра, лежаща в хоризонталната проекционна равнина да е окръжност, а не елипса. Получава се ситуацията представена на фиг. 5. Тъй като основите са в проекционна връзка в двете съседни проекции, а цилиндъра е наклонен, окръжността на основата, уголемява диаметъра на целия цилиндър в хоризонталната проекционна равнина. При търсене на истинската големина на сечението и условие, че секущата равнината е перпендикулярна на оста и образувателните на цилиндричното тяло, се получи, че сечението е елипса, а цилиндъра не е кръгов а елиптичен, или както го наричат в някои от литературните източници cylindroid [5]. За по-голяма достоверност истинската големина на сечението е намерена по два от известните начини,а именно чрез проста трансформация и въртене, но решението е едно и също. За разкриване на истината относно решението на поставената на фигура 1 задача, беше направена симулация на
Фиг. 4 Проектиране на цилиндър в общо положение [1,2,3]
Фиг. 3 Проектиране на цилиндър в общо положение
Фиг. 5 Проектиране на цилиндър в общо положение
Фиг. 6 Намиране на параметрите на решението
47
продукт за тримерно моделиране на обекти Solid Works. Като начало, за симулиране на ситуацията в задачата, бяха намерени по познатите на приложната геометрия начини: -ъгъл сключен между осите на двата пресичащи се цилиндъра; -равнината в която лежат осите на двете цилиндрични тела, както и ъгъла който хоризонталната и дирята сключва с оса Х; -ъгълът, който равнината в която лежат осите на двете цилиндрични тела, сключва с хоризонталната проекционна равнина; -ъглите между осите на цилиндрите както и ъгъла, който сключват с дирята на равнината която лежат. Решението може да се види на фиг.6. Ъгълът сключен между дирята на равнината α в която лежат осите на двата цилиндъра и оста Х е 6о, ъгълът между осите на двата цилиндъра е 79о, а ъгълът сключен между дирята на α и хоризонталната проекционна равнина е 45о.
След проектирането на ситуацията в тримерното пространство на Solid Works, изпълнявайки всички поставени условия, се получи ситуацията на фиг. 7а. Заставайки точно зад прозрачната фронтална проекционна равнина (фиг. 7в), беше очертано разположението на двете
пресичащи се тела. Беше направено измерване, от което става ясно, че диаметрите на цилиндрите разположени в общо положение към фронталната проекционна ранина се запазват същите, като на обектите. След това заставайки точно под хоризонталната проекционна равнина беше възпроизведена отново ситуацията с прозрачната проекционна равнина. След направено измерване, бяха получени същите резултати за диаметъра на проектираните цилиндрични тела.
Следователно за да имаме коректно решение на така поставената задача за пресичане на наклонени ротационни цилиндрични тела, то тя трябва да бъде решена по начина представен на фиг. 8, а именно, наклонените цилиндри запазват размерите на диаметъра си в различните проекционни равнини, а основите стъпили в хоризонталната проекционна равнина да се проектират като елипси, чийто голям диаметър да бъде разположен по продължение на оста на цилиндъра, а малкия диаметър, да запази стойността на диаметъра на зададения цилиндър.
3. Изводи От направеното в статията проучване, могат да се изведат следните изводи:
- При ортогонално проектиране на цилиндрични повърхнини трябва да се прави разлика между наклонен кръгов цилиндър и наклонен ротационен цилиндър.
- Проекциите на ротационните цилиндрични тела запазват винаги големината на диаметъра на първообраза си независимо дали са разположени в частно или общо положение, към всяка една от трите основни проекционни равнини.
- При ортогонално проектиране на ротационен цилиндър в общо положение основите лежащи в някоя от проекционните равнини се проектират с елиптична форма. По-малкия диаметър на елипсата се проектира с размера на истинската големина на диаметъра на цилиндъра, а по-големият диаметър (винаги перпендикулярен на малкия,) е винаги по направление на оста на тялото и в проекционна връзка с проекцията в съседната проекционна равнина.
Недоизясняването на тези подробности може да предизвика проблем при обучението на студенти, при проектиране на обекти в един по-късен етап от обучението им по инженерна графика както и при работата им като бъдещи инженери.
а)
б)
в)
Фиг. 7 Симулация на Solid Works
Фиг. 8 Взаимно пресичане на цилиндрични тела
48
Използвана литература [1] Узунов Н., Петров Г., Димитров С. Дескриптивна
геометрия, част 1: Държавно издателсво „Техника“ – София 1963 г. …………………………………..…………..стр.207-208
[2] Сандалски, Б., и др. , Приложна геометрия и инженерна графика – София : Софттрейд, 2006 г.
[3] Петров Р., Дескриптивна геометрия с анаглифни илюстрации : Държавно издателство Наука и изкуство – София 1970 г. …………………………………………………стр. 69
[4] Посвянский А. Краткий курс начертательного геометрии: Издательство „Высшая школа“– Москва 1965 г.
[5] http://bg.wikipedia.org/wiki - 17.06.2014 г.
Изследванията са подпомогнати от НП - 26 на ТУ - Варна „Изследване на ергономичността на учебната среда при прилагане на нови методи и съвременни помощни средства за обучение по дисциплините „Приложна геометрия и инженерна графика” и „Техническо документиране““.
49
СИНЕРГИЧНОСТ НА СИСТЕМАТА ИЗОБРАЗИТЕЛНИ МЕТОДИ И ТЕХНИКИ В ДИЗАЙНА
SYNERGY BETWEEN THE SYSTEM IMAGING METHODS AND TECHNIQUES IN DESIGN
СИСТЕМА СИНЕРГИЯ ВИЗУАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И ПРИЕМЫ В ДИЗАЙНЕ
Assoc. prof. Evtimova M. Faculty of Business– Technical university of Sofia, Bulgaria
E-mail: emdete @ abv.bg Abstract: synergistic system is a method of teaching creative subjects related to art, forming a basic knowledge of designers.
Keywords: SINEGISTIK SISTEM
1. Въведение
Дизайна е една голяма идея на съвремието и включва решаването на проблеми в различни области на средата в която човек живее.
• Същността на дизайна е в съчетанието на изкуство и технологични дейности, които да създават и осъществяват проекти, участващи във формирането на предметната околната среда.
• Целта на дизайна е създаването на хармонични продукти за тази среда, като се удовлетворяват материалните и духовни потребности на човека.
• Два са основните компонента на дизайна: функционалност и естетика. В процеса на реализация на своя проект дизайнерите се стремят да осъществят тези два компонента, като се изявява и същността на заложената идея.
Реализацията на послания и идеи в съвременния дизайн е свързан с определени познания за функция, форма, цвят и пластика.
2. Синергична система
• Необходимост от синергична система Овладяването на едно интелектуално знание - научно или
художествено, винаги е свързано с конкретизиране на условията, при които се осъществява. Творческият подход при проектирането на определен дизайнерски продукт е водещото начало за съвременния дизайн. Затова дисциплините История на изуството и Изобразителни методи и техники са част от тяснопрофилните дисциплини.
− История на изкуството и дизайна е в базовия модул на теоретичните основи на дизайна;
− Изобразителни методи и техники са основна част от реализацията на идей при дизайнерското проектиране.
Усвояването на знанията и формирането на конкретни умения определя и подбора на конкретни форми и методи за преподаване. Творческата реализация на придобито в процеса на обучението, интелектуалното знание изисква организация, която да създава определени условия за творчески процес, а именно:
− Материално - технически възможности и средства за реализация;
− Методико–дидактически възможности за преподаване на знанията;
Тези условия са предпоставка за създаването на система за преподаване в която да се проявява синергичен принцип. “Синергетиката (от гр. synergetikos - съвместен, съгласувано действащ)”∗ е научно направление, изучаващо връзката между
∗http://wmileva.hit.bg/Fractals/Pages/Selforganisation.htm
елементите на структурата (подсистемите), които се образуват в открити системи (биологични, физико-химични и др.) благодарение на интензивен обмен на вещество и енергия с окръжаващата среда в неравновесни условия”
• Система Преподаването на знанията необходими за формирането на
личността на бъдещия дизайнер, с цел творческата им интерпретация, за да бъдат създадени условя за осъществяване на синергичен принцип в обучението е необходимо да отговаря на следните условия:
Да е отворена система; − Знанията за проявата на творческите проциси в
изкуството∗, което е една отворена система, следва неговоя непрекъснато променящ се характер.
Да има възможности за обмен на енергия с обкръжаващата го среда в неравновесни условия;
− Създаване на възможност за кореспондиране с обкръжаващата го среда, чрез реализиране на дизайнерси продукт, изложби, конкурси, пленери и други форми на изява.
Да се проявява като неравновесна система; − Моментът на преход от усвоено знание към творчески
експеримент е непредсказуем, както и решението за реализацията на творческата изява.
Да е съгласувано действие на подсистемите; − Елементите, които стимулират творческият акт са
подбрани във всяка една програма за стимулиране на творческите способности на студентите.
Да е съгласувано поведение; − Организацията на усвояването на знание протича във
фиксирано конкретно време и се осъществява чрез принципите на достъпност и последователност.
Да нараства степента на подреденост. − При този тип организация, проведените изложби.∗∗
доказват създаването на самоорганизиращи се екипи при реализация на творческите задачи. Проява се творческа активност с конкретна реализация в творби и изложби. През различните исторически епохи и при различните цивилизации се е използвал различен принцип на реализация
Сборник доклади Промишлен дизайн – Юбилейна научна конференция 10 години обучение по специалност „Промишлен Дизайн” Редакция на Орлоев Н. Р., 1995
∗ Гомбрих, Е., Изкуство и илюзия. Изследване върху психологията на изображението в изкуството, С., 1988
∗∗ Евтимова М. Стимулиране на творческите способности на студентите по изобразително изкуство чрез модела на синергична система в обучение по цветазнание , Постижения в областта на аграрните и обществените науки, том 2, Обществени науки, СЗ 2000, с. 50
50
на продукта, съответстващ на философските и естетически възгледи на обществото
За да изясня основните части на предложената система е необходимо да се спра на двете основни понятия – изобразяване и изразяване, свързани с творческия акт и възприемането на дизайнерския продукт.
Тези две понятия са коренно различни,но често се възприемат като идентични. Тази неточност води и до неправилното тълкуване на термина „изобразителни изкуства“, като в съзнанието на възприемащия се набляга основно на изобразяването, а не на цялостното възприемане на творбата. В тълковния речник на българския език, – изобразяване и изразяване са конкретно разграничени, като значенията са следните: Изобразявам - представям, пресъздавам нещо във формата на образ, като го описвам пластично със средствата на изкуството.
Следователно това е действието на създаването. Взаимодействието на пластичният обект с реализирането и е пряко свързано с пластичния образ, чрез определени принципи и средства. Изразявам: проявявам се; с думи, с изрази; предавам, изказвам мисли, чувства, желания и други.
Следователно – това е предаването на конкретна идея, чрез определен образ. Изразяването или авторовия изказ е свързан със създадените въздействия и пряко е свързан с възприемането.
Двете действия са неразривно свързани – като предаването на определени, знания, мисли и чувства от страна на дизайнера и възприемане чрез определени въздействия от страна на потребителя. От своя страна различните видове въздействия, се постигнат чрез определени принципи, характерни за методите и средствата на дизайна и авторовия почерк.
За реализацията на съвременните форми при дизайна е необходимо определена система, при която да е взаимното обвързана с отделните методи и техники. Такава система е необходимо да бъде синергична.
“Синергетиката (от гр. synergetikos - съвместен, съгласувано действащ)” е научно направление, изучаващо връзката между елементите на структурата (подсистемите), които се образуват в открити системи биологични, физико-химични и др.) благодарение на интензивен обмен на вещество и енергия с окръжаващата среда в неравновесни условия Синергичната система е необходимо да отговаря на следните условия:
1. Да е отворена система; Дизайна е една отворена система, непрекъснато променяща
се. 2. Да има възможности за обмен на енергия с
обкръжаващата го среда в неравновесни условия;
Създаване на възможност за кореспондиране с обкръжаващата го среда, е е един от основните принципи при дизайна.
3. Да се проявява като неравновесна система;
Попов Д. Български тълковен речник НИ С.1995 с.304, с. 312
http://wmileva.hit.bg/Fractals/Pages/Selforganisation.htm
Гомбрих, Е., Изкуство и илюзия. Изследване върху психологията на изображението в изкуството, С., 1988
Моментът на преход от усвоено знание към творчески експеримент е непредсказуем, както и решението за творческа изява и реализацията.
4. Да е съгласувано действие на подсистемите; Елементите, които стимулират творческият акт са подбрани за стимулиране на творческите способности.
5. Да е съгласувано поведение; Организацията на усвояването на знание протича във фиксирано конкретно време и се осъществява чрез принципите на достъпност и последователност.
6. Да нараства степента на подреденост. При такава организация, бе проведен експеримент свързан с цвета през 1999/2000г. и доказано създаването на самоорганизиращи се екипи при реализация на творческите задачи.
• От своя страна Естетическото възприемане е винаги емоционално украсено. Средата при която става възприемането силно влияе на количествените и качествени значения за индивида, възприети от дизайнерския продукт. Предварителните знания, символистичните и знакови послания спомагат художественото възприятие.
• При възприемане потребителя в една или друга форма видоизменя посланието. Натоварва го със свои чувства и мисли. Информация подават всички семантични дадености – стойности на фактурата, вида и посоката на обема,линиите, петната, точките и създадените контрасти. Недоизказаното води до по-голям интерес при възприемането. “Там където всичко е възможно и нищо не е неочаквано, спира всякаква комуникация” Следователно знанията и творческото въображение са основа за създаване на дизайнерски продукт. Включени в синергична система отделните елементи взаимно усилват своето въздействие.
Гомбрих Е.Изкуство и илюзия, БХ С.1988 с.473
51
RISK MANAGEMENT IN INDUSTRIAL ENTERPRISES
Assos.Prof. Toni Mihova , PhD 1, Assos.Prof.Valentina Nikolova – Alexieva, PhD.2
Assistant Prof. Tania Gigova1
Technical University – Sofia, branch Plovdiv, Bulgaria 1
University of Food Technologies – Plovdiv, Bulgaria 2
[email protected]; [email protected]; [email protected]
Abstract: The authors report on the essence of risk management in the enterprise as an effective management tool in today's rapidly changing business environment. The report targeted to indicate the attitude of the managers in this process, based on a survey, as demonstrate the need for a more comprehensive approach to risk management.
Keywords: RISK MANAGEMENT, INVESTMENT RISK, FINANCIAL RISK, BUSINESS RISK
1. Introduction Risk management in industrial enterprises is very hot topic
today on the one hand because of the extremely important role of industry in the global and national economies and on the other - from the growing uncertainty in the results that industrial enterprises rely as their goals and expect to achieve by its activities. Processes of globalization and increasingly rapid technological development contribute to this uncertainty.
The report aims to show the current state of risk management in Bulgarian enterprises also formulate more substantive issues, and the author's view of what needs to be done to fully improvement of this activity. The report summarized the results of research carried out for this purpose in two hundred large industrial enterprises in Bulgaria. This report summarizes information provided by respondents who completed Risk Management Survey between January 2012 and April in 2014. The respondents of this survey are registered members of Confederation of the Employers and Industrialists in Bulgaria and they are more managers and practitioners interested in a comprehensive approach to process management and related concern like risk management. The main goal of this survey is to draw picture of the ways that risk management is being used in the Bulgarian organizations today and the results reflect the perspectives of a broad base of Bulgarian managers interested in. Report offers to reader’s insights into the kinds of risk management development efforts currently underway and the ways their own company’s risk management efforts compare with those of other companies.
2. What is the essence of risk managemen? According to the Deloitte’s definition of risk "The risk is the
possibility of losses - or reduced profits - caused by factors that may adversely affect the achievement of the organization", which according to the authors most accurately expresses its essence. [1].
The concept of risk management has been developed in recent years and has different definitions. According to the experience of Marsh key points in the definition of company’s risk management (RM) are as follows: "Basic structured approach that supports the alignment of strategy with processes, people, technology and knowledge to assess and manage the uncertainties that an organization faces while creating value. For this purpose, the organization must be provided with information about the quality management making decisions in a more effective manner and with more confidence".[2].
The essence of risk management in the enterprise is built around his pragmatic use as an effective management tool that also be a major boost to increase in value. In contemporary business environment, the need for a more comprehensive approach to risk management that ensures the development of alternative responses to risks has a major importance. Every business carries risks. Therefore, risk management is essential for any business process. It prevents foreseeable risks prevents bad investments and reduces damage from unforeseen events. Enterprise Risk Management (ERM) is a process, which organize and control activities in order to
minimize the effects of risk. In the 'risk' here includes not only the risk of unexpected losses, but also financial, strategic, operational and other types of risks, i.e more comprehensive approach to risk management.
Widespread popularity has acquired following COSO ERM’s definition of risk management "process performed by a board of directors, management and other personnel, applied in setting the company's strategy, designed to identify potential events that could have an effect on company, and manage risk to be within the risk appetite, to provide reasonable assurance regarding the achievement of company objectives" [3]. The term "risk appetite" is a risk that the organization is ready to take to be in line with the strategic and operational objectives to maximize value for stakeholders. Risk management in the organization requires the company to have a versatile look at risk.
More significant basic principles of risk management are: raising awareness of the risk; specific action plans; the lowest risk capital requirement; better link between strategy and operations; effective management and change control; organizational culture should encourage an environment that promotes opportunities for managing risks, not eliminating them overall.
Risk management is a process including: development and implementation of strategies, identification of risk assessment and risk measurement, risk responses, testing and risk control, monitoring, maintenance and continuous improvement .
At the consulting practice there is using the framework COSO ERM, which defines the main components offers a common language and provides a clear purpose and direction for risk management in the organization.
Eight interrelated components are typical for this framework: internal environment, setting targets, identifying events, risk assessment, risk response, control activities, information, communication and monitoring. [1]
In summary it can be concluded that the most salient features of this framework is as follows:
- establishes the philosophy of risk management;
- formed a risk culture within the organization;
- take into account all other aspects concerning how the actions of the organization could affect the risk culture;
- includes the identification of these incidents occur internally or externally, which would affect the strategy or achievement of the objectives set out therein;
- examines the way in which internal and external factors combine and interact with each other, and how they influence the risk profile of the company;
- allows an organization to acquire an exact picture to what extent the potential events might affect the achievement of objectives;
- using a combination of qualitative and quantitative risk assessment methodologies;
52
- мanagement identifies, captures the relevant information and transmits it in a form and timeframe that enables people to carry out their responsibilities;
- the communication has a broader scope and it is distributed horizontal and vertical within the organization.
It is essential to clarify the concepts associated with a risk intelligent organization and risk policy.
Risk intelligent organization starts to manage the risk with
determination of the strategic objectives; unfies operations management and risk management; creates links between units; understand the interactions between different risks; manage risks as a daily activity.
Risk policy is a long term action plan consists of guidelines and principles designed to achieve the objectives of risk management. Key elements are: goals, risk management vision, risk appetite, risk management framework, the risk management process; minimum requirements; roles and responsibilities. [3]
What kind of risks are faced industrial enterprises?
In economic theory, regarding the individual company most attention is given to the three main types of risk - investment, financial and economic risk (business risk).[4] Although they address different aspects of business, they are closely related and affect complex activities and state of the enterprise.
Investment risk is the probability that actual cash flows (earnings) of an investment to be lower than expected. The financial risk associated with the use of foreign capital in the business. This is the risk of insolvency and more severe form - failure due to accumulation of financial obligations that can not be repaid. Business risk is defined as the possibility of adverse changes in market and economic conditions in which the entity operates. These changes directly or indirectly affect the economic fundamentals of the enterprise, such as sales, revenues, financial results, cash flow, return on capital, economic value added, etc. Business risk includes several components: macroeconomic and political risk; industrial risk; market risk; internal company risk; risk in terms of factor markets.[4] Macroeconomic risk is related to the general economic situation of the country and the business. The significance of this risk is determined by the phase of the business cycle, inflation, interest rates, trade and tax legislation including Government tax policy, the level of GDP; growth rates, investment, exchange rates, foreign trade, balance of payments, unemployment,etc. There has been a decline in the gross domestic product (production) and investments when the economy is in recession. At the same time, unemployment is increased . This inevitably affects the volume of sales of both consumer and investment goods [5] . In the practice it is considered that when the decline in production (GDP) remains at least six months there is a recession. Stagnation is a prolonged and deep recession, which is characterized by massive bankruptcies of companies with uncertain market positions whose financial result is highly sensitive to changes in sales volume, ie companies with a high level of business risk. In contrast, under stable economic conditions, sales and financial performance of companies is constantly increasing. Different types of business and individual firms are differently exposed to macroeconomic risks. For example, cyclical companies, ie those companies who are more sensitive to the macro cycles should have higher beta- coefficients. Such are, for example, construction companies and car manufacturers. At the times of crisis, sales of these companies fell dramatically, while in periods of economic boom sales mark unbelievable growth. In contrast, companies in the food and tobacco industry [6], [9] for example, are less sensitive to economic conditions and have lower beta coefficients.
Industry risk is related to the status and organization of the industry, the degree of monopolization and competition, legal and administrative restrictions [8] in the sector and others. When analyzing the business risk of an enterprise must be given the specifics of the industry and its organization, the market share of the company and competition. As a rule, companies with larger market
share, monopolies and oligopolies are favored in terms of business risk because of their ability to influence the product and factor markets, respectively on prices, production and consumption. Usually the sales and profits of such companies are stable and have little variation for a certain period of time [10], [11] . Largely, the business risk is determined by the nature of the activity and specificity of the procedure. Companies from heavy industry and high-tech industries are characterized by high investment absorption. For this kind of business are required huge investment.
Market risk is defined as the probability of a reduction in sales volume due to the adverse impact of market factors - reducing consumption, the emergence of competitors, the emergence of substitute goods and other market reasons character [7] . We should note that sometimes the loss of sales could be due to reasons internal to the enterprise, rather than external (market) factors. Such circumstances may include quality deterioration, ineffective advertising, improper marketing and pricing policy, etc. Changes in sales volume greatly influence the amount of cash flows and financial results, and therefore on the performance indicators and added value. A potential decline in sales will affect the financial situation of the company. It is clear that the business risk and financial risk are closely related. Not only managers and owners, but also potential investors (and sometimes business partners and creditors) need information about any changes in sales volume and how they would affect the profitability and value of the enterprise.
Intercompany risk can be defined as the probability of a reduction in sales and efficiency due to adverse impact of internal company factors. Very often, reducing sales and efficiency due to reasons of internal, rather than external (market) factors. Such circumstances may include quality deterioration, ineffective advertising, improper marketing and pricing policy, poor organization of the production process, supply problems, problems with staff and others.
Risk in terms of factor markets is associated with any adverse changes in these markets, such as raising the prices of factors of production (materials, energy, fixed assets, payroll, etc.)., loss of suppliers, supply delay, the emergence of deficiency and others. This reflects negatively on the cost of production or services on the organization and timing of production and sales, and ultimately affects profit, added value and performance indicators. Let us imagine, for example, industrial company, whose production has a high material consumption (higher share of material costs in the cost price). Rising prices of production materials will significantly increase the cost of production [7]. Often, however, companies in this situation can not afford to increase selling prices adequately and in a timely manner, if there is no competitive advantage since risk their sales to fall dramatically (at high competition in the industry and high price elasticity of sales). This risk classification is used in research conducted by the authors in two hundred large Bulgarian industrial enterprises.
3. What are the results from the study? For settle what is the importance of risk management and how it
is being used in the Bulgarian organizations today this survey was held in 200 Bulgarian enterprises between January 2012 and April in 2014. In this case we sent an e-mail to the membership of Bulgarian Chamber of Commerce and Confederation of the Employers and Industrialists in Bulgaria – CEIBG invited them to participate in the survey. We had 200 people completed the survey in this period. Partial completes are not included in the tabulations. In the charts and tables that follow the survey, some of the totals will add to less than 200 because some questions are not relevant to some respondents, or because some questions allowed respondents to select more than one answer. In addition, total percentages do not always sum to exactly 100% because of rounding, or because the question allowed the respondent to select more than one answer.
The respondents were asked to identify the industry in which they worked. The categories match those used by Bulgarian Department of Labor. The largest group (68%) chose
53
“Food/Beverage”, and second largest group is from Financial services – 58%. The companies from Food/Beverage industry and from financial services industry is very competitive, generates high profit margins, and depends on computer systems to support or implement its services. Thus, they have always been quick to invest in any new IT hardware or software that might give them a competitive advantage. The next largest groups (53%) is in telecommunications and from the computers/consumer electronics/software industry (48%) and retailing (48%). Most of those choosing computers/consumer electronics/software are probably in the software area. The problem with this industry group comes in distinguishing those who are vendors of business process products and services, and those whose companies use BPM products to support their internal process work [6]. Other groups are as follows: Education -42%, Energy-35%, Light manufacturing – 33%,Business consulting -32% , Travel/Entertainment- 29%, Heavy manufacturing – 19%, Health care/Medical Equipment – 18% and Chemicals- 14%. The largest group (23%) chose “Other”, and most of those identified their industry as consulting.
Questions in the questionnaire and interview with managers of companies are focused on exploring the capabilities of risk management in the enterprise. For this purpose we used COSO scheme to assess the level of "maturity" in risk management. Fig. 1.
The first question of the survey is related to the development of a risk management strategy in the enterprise. 60% of respondents answered negatively, 30% say they have developed such a strategy, while 10% say that they are in a stage of preparation for strategy development. The next part of questions are directed to the eight components of the framework COSO ERM - internal environment, setting objectives, identifying events, risk assessment, risk response, control activities, information and communication and monitoring. Analysis of the results from the study allows to divide survey participants into five groups according to the scheme of assessment "maturity" level in risk management.
Fig. 1 Stages of Risk Management Capability Maturity [3]
The first group is the most numerous and covers 40% of the managers of establishments that fall into the “Fragmented” maturity level. Characteristics of this stage are:
- uncoordinated activities of risk management; - limited focus on the links between risks; - limited consistency between risk and strategies; - diverse functions for monitoring and reporting.
The second group of participants - 30% are related to "Top-down“ maturity level , for which is typical:
- general framework, program and policy; - routine risk assessment; - vertical communication about the biggest company risks with the top management; - conscious action; - formal risk consultations; - reliable team.
The third group includes 20% of managers of industrial enterprises who have the lowest level of maturity - "Unaware", characterized by:
- chaos and - individual qualities and abilities.
To the fourth stage of maturity level "Systematic" belong 5% of the interviewed managers. Its distinctive features are:
- coordinated action to manage the risk between the units; - risk appetite is clearly defined; - the risk is observed, measured and recorded throughout the company; - contingency plans; - risk management trainings.
To the fifth stage of maturity level so called "Risk intelligent" belong also 5% of the interviewed managers. Its distinctive features are:
- conducting discussions related to risks that are involved in strategic planning, capital allocation, product development, etc.; - use of preliminary indicators of risks; - link between assessment and performance incentives; - modeling / development of risk scenarios; -benchmarking and regular use of measurement standards by the industry; - evaluating the capabilities of risk management in the organization.
The main conclusions resulting from the analysis are:
1. 60% of large enterprises surveyed have policies and strategies for risk management.
2. 60% of them belong to the lowest maturity levels of risk management, namely - "Unaware" and "Fragmented".
3. Only 10% of companies manage risk systematically and intelligently.
The above conclusions enable us to systematize the major problems concerning risk management as follows:
1. Process identification and risk assessment is perceived as a single action that held once a year and it is implemented as a daily activity. [5], [7] ,[8]
2. Uncertainties and inadequate management of the full spectrum of risks. [6], [9]
3. The lack of education and awareness prevent the introduction of risk management as an integral part of management . [10], [11]
54
4. Conclusion The main question is “What needs to be done to improve risk management in Bulgarian enterprises”? 1. Deep understanding of the overall framework for risk management.
2. Clear allocation of responsibilities for risk management in the enterprise.
3. Implementation of risk management as an integral part of the enterprise’s organizational activities .
4. Adequately prepared team.
5. Strictly defined control and supervision.
Overall, the major conclusion of this survey is that most Bulgarian organization remain relatively immature. Only a handful of firms are able to realize consistent, repeatable results. The firms that are achieving results are those that have made a commitment to a dedicated RM practice area, most notably, a COSO ERM framework. The leading companies are focused on moving from level 4 to level 5. Applying the framework COSO ERM can help Bulgarian enterprises to understand where they are today and to serve as a navigator on the way to achieving maturity in the risk management . Any enterprise can be placed at the appropriate level of maturity in terms of risk management. World's leading companies today focus their efforts to move to the fifth level and they have already created process architecture that shows how to combine the basic and auxiliary process risks, which helps to build a risk management system that distributes the responsibilities of process managers provides resources, monitoring and measurement of risk.
In the contemporary rapidly changing business environment, managers need to rethink the overall philosophy of risk management in order to build a comprehensive approach to managing various types of risk in industrial enterprises. The report made an attempt to cover the main issues and point out the directions in which must be oriented risk management.
Literature [1].Въведение в управлението на риска, Deloitte, http://ns.nssi.bg/
[2].Управление на риска в предприятието, http://bg.marsh.com/risk/enterprise/
[3] COSO Enterprise Risk Management – Integrated Framework. 2004
[4] Тодоров, Л. Oценка на бизнес риска (част 1) – дефиниране на понятията, http://cfo.cio.bg/
[5] Gigova Т., Mihova Т. (2013), Industrial growth in Bulgaria - background and opportunities, 3rd EmoNT 2013, Vrnjačka Banja, Serbia, , ISBN: 978-86-6075-039-8 (рр.187-190)
[6] Alexieva V., “Exploring The State of Business Processes Management In The Bulgarian Enterprises”, WCBEM -2012, Procedia - Social and Behavioral Sciences, ISSN: 1877-0428 by ELSEVIER
[7] Karev, N., The shoe manufacture in the structure of subsector “Processing of leathers and manufacture of leather articles” Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy – volume 47, issue 5, 2012, p. 582-587
[8] Марков, К. Трансформация на контролната дейност в административната система, ISBN: 978-619-160-264-3, „Авангард Прима“, 2014
[9] Mihova T. Small and medium enterprises - economic development and competitiveness of the Bulgarian state industry in
the global economic crisis, Scientific conference with international participation "TechSys 2013", 2013
[10] Nikolova N., T.Penev, L.Dimitrov, A classification of risk management methods in complex electrotechnical systems, European International Journal of Science and Technology, Vol.2, № 6, July 2013, p.217-225 (ISSN 2304-9693)
[11] Nikolova N., T.Penev, L.Dimitrov, Conceptual Model of Risk-Management in complex Energy Systems, International Journal of Business, Humanities and Technology, Vol.3, № 8, December 2013, p.85-98 (ISSN 2162-1357 – print; ISSN 2162-1381 – online)
55
RAPID PROTOTYPING – DEFINITION OF TERMS AND HOW TO APPLY DURING A STUDENT PROJECT
Dipl.-Ing. Pointner A.,BSc1; Dipl.-Ing. Schnöll H.P.2; Dipl.-Ing. Friessnig M.,BSc2; Heinzle P., BSc1
Institute of Production Science and Management – Graz University of Technology, Austria 1
Institute of Industrial Management and Innovation Research, Graz University of Technology, Austria 2
[email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]
Abstract: Nowadays the field of Rapid Prototyping is rapidly changing and providing a clear overview is challenging. One of the biggest problems in this context is that different operations are often named similar. In the beginning of this paper the most important related terms are defined and classified. Afterwards the major Rapid Prototyping techniques, called generative manufacturing methods, are explained. Alternatives to these generative methods as well as 3D-scanning methods are dealt with too. All in all these emerging technologies around 3D-printing and 3D-scanning are revolutionizing the way Rapid Prototyping laboratories look like. They offer new possibilities and reduce the complexity of prototyping. One of the future trends is so called Fab Labs which are currently stretching the boundaries of the common Rapid Prototyping laboratories. At Graz University of Technology the second Fab Lab in Austria has been established lately. Especially its implementation in University education as part of the Product Innovation Project is discussed in detail.
Keywords: RAPID PROTOTYPING, 3D-PRINTING, 3D-SCANNING, GENERATIVE METHODS, STEREOLITHOGRAPHY,
GENERATIVE SINTERING, FUSED DEPOSITION MODELING, FABRICATION LABORATORY, PRODUCT INNOVATION PROJECT, FAB LAB MOVEMENT
1. Introduction As the field of Rapid Prototyping has been growing quickly
during the past few years, several definitions for Rapid Prototyping are known. Also the term of 3D-printing is often used across the board and is seldom clearly defined. If one takes a closer look at the field, these circumstances increase the risk of confusion. Especially the use of the term 3D-printing as an umbrella term is crucial in this regard. Therefore as a precaution the most important terms of the field are defined and classified before going deeper into the topic. Besides the major generative and conventional Rapid Prototyping methods, which are the essential basic tools in prototyping, are presented.
Connected to the quick advancement of Rapid Prototyping possibilities is also the so called Fab Lab movement. Its main ambition is to simplify prototyping and enable more and more people all over the world the possibility to manufacture their individual items themselves. The worldwide exchange of prototyping and manufacturing knowledge is only one benefit that is generated when being part of the network. As there exists a course called “Product Innovation Project” at Graz University of Technology, which deals with the development of prototypes, the establishment of a new Fab Lab made perfect sense.
In the second part of this paper the Fab Lab movement, the new Fab Lab in Graz and its application within the “Product Innovation Project” course will be described in detail.
2. Rapid Prototyping The term Rapid Prototyping stands for an application of the
generative manufacturing methods. These methods are based on the layering principle, which implies that an object is made up of plenty of thin layers. [1] In numerous steps the layers of material are added onto each other and an energy source ensures that they get adhered and hardened. The layer material can either be in powder form, fluid or in hard condition. The major advantage of these methods compared to conventional ones is that there are hardly constraints concerning the shape of the desired object. [2]
Beside other applications like Rapid Tooling, which stands for the fabrication of moulds, tools and equipment for production processes, Rapid Prototyping is defined as the fabrication of models and prototypes without product character. When custom-specific final products are produced in individual or small series the application is called Rapid Manufacturing. On the contrary Additive Manufacturing describes the application of generative methods in case of serial production. [1]
According to VDI guideline 3404 nine generative manufacturing methods can be distinguished in total: [3]
• Stereolithography
• Laser sintering and electron beam melting
• Fused layer modeling (Fused deposition modeling)
• Multi-Jet modeling
• Poly-Jet modeling
• 3D-Printing
• Layer Laminated Manufacturing
• Mask sintering
• Digital light processing
A description of each method would go beyond the scope of this paper. Therefore the focus is on the three major ones, which are stereolithography, laser sintering / electron beam melting and fused layer modeling (fused deposition modeling). [3]
The company “3D System” introduced Stereolithography in 1987. It is known as the oldest generative manufacturing method. [3] The principle of stereolithography is the layer by layer solidification of fluid or pasty monomers through polymerization. Within the group of stereolithography several different sub-methods can be distinguished. Whereof the laser-scanner-stereolithography can be seen as the prime father in case of industrial used rapid prototyping processes. [4] The necessity of supporting structures and the poor thermal and mechanical resilience of the objects produced are offset by the high level of detail and the achievable refinement of their surface. [5]
In the early 1990s the generative sintering was known as laser sintering due to the fact that all common systems used a laser as energy source. Nowadays machines using an electron beam or infrared radiator for the fusion and solidification of the layers are frequently used too. The basic raw materials are densely packed and precompressed powder particles out of metal, ceramic or resin-bonded sand. These particles get fused by the energy source and so layer by layer the object is built up. [6] Although there are basically no supporting structures needed because of the supporting effect of the solid raw material, however they are often used to ensure a good heat dissipation to prevent warping of the metal material. [7] Temperature control is crucial because already small deviation can lead to poor sintered or discolored useless objects. [8]
56
The company Stratasys introduced the fused layer modeling or fused deposition modeling method. In most of the applications ABS or PLA plastic filaments are used as basic raw material. By passing a heated nozzle the temperature of the filament rises close to the melting point of its material. Once the filament is pasty it’s deposited onto the previous layer. Through heat conduction the material cools down, fuses with the prior layer and hardens immediately afterwards. Although the surface quality is often quite poor and overhanging sections of the objects require supporting structure, the method is quite popular because of its low costs and office suitability. [9]
Another generative method is called 3D-printing. Although it only represents one of the nine generative manufacturing methods, it is more and more used as an umbrella term for all of them. Obviously this can easily cause confusion. Therefore it is essential to use the correct terms while working professionally in this field. [10]
After all prototyping doesn’t necessarily have to be done by using one of the named generative methods. There are also possibilities to build up prototypes with conventional manufacturing techniques like a CNC-milling or laser cutting. [11] While laser cutting is suitable for building up prototypes out of piled thin layers and is commonly used in architecture, prototyping with CNC-milling can be very challenging especially if the structure of the desired object is complex. The achievable excellent accuracy is offset by the constraints regarding the accessibility of narrow and angled areas of the object. Clever combinations of generative and cutting processes offer great potential. Through using the generative manufacturing methods to build the object there are hardly limitations regarding the shape of the object. Refining it afterwards by using cutting methods, enables the achievement of excellent accuracy and surface quality. [12]
Prototyping with all of these methods requires a 3D-CAD-model as a starting point. This can either be designed by using common CAD-software or, if the object already exists, it can be scanned through using a 3D-scanner. The technology of 3D-scanning is advancing rapidly in the past few years. Beside applications in different fields like medicine, historic preservation or the packaging industry, it is also widely used for quality assurance and digital archiving of prototypes. [13] Especially the technology of desktop-3D-scanning is emerging hand in hand with office suitable 3D-printers.
Basically contact and non-contact 3D-scanning methods can be distinguished. As in desktop-3D-scanning the disadvantages like the high costs, the low speed and big effort of the contact based methods outweigh the achievable accuracy of the scans, the focus is on non-contact methods. The most common methods used in desktop-3D-scanning are triangulation-based laser-scanning, structured light technology and photogrammetry.
At the moment the uprising competition among these 3D-scanner devices has been pushing down the prices to a few hundred Euros. It is very difficult to maintain the overview of the market as there are new solutions brought to the market frequently. One of the latest trends is the combination of these desktop-3D-scanners and the already above mentioned 3D-printers in one device.
These emerging technologies around 3D-printing and 3D-scanning for home users are revolutionizing the way Rapid Prototyping laboratories look like. They offer new possibilities and are reducing the effort to build a complexity prototype. One future trend of these Rapid Prototyping laboratories, also called maker spaces, is a Fab Lab.
3. Fab Lab – A Maker Space The first Fab Lab was set up by Neil Gershenfeld at the
MediaLab of the Massachusetts Institute of Technology (MIT) in 2002. The acronym Fab Lab stands for Fabrication Laboratory. The basic idea of these labs is to provide individuals access to
manufacturing tools, so that they are able to produce their own things. As long as commercial activities of the users do not interfere with the access of others, they are tolerated. [14]
There are four main criteria that have to be fulfilled to start a Fab Lab. First of all the lab should be accessible free of charge for everyone at least once a week. Secondly the Fab Charter, which states the principles of the Fab Lab movement, has to be published on site and on the web page of the lab. Furthermore all labs should be equipped with the same basic tools to ensure the exchangeability of designs, knowledge and the reproducibility across borders. In addition the support of other labs and a contribution to the Fab Lab community is expected. [15]
Nowadays the Fab Lab movement is spreading rapidly all over the world and currently there are already more than 330 Fab Labs registered. [15] At the Institute of Production Science and Management of Graz University of Technology the second Fab Lab in Austria has been built up in the last few months. The equipment had been well chosen according to the guidelines of the MIT. These already mentioned common equipment includes a computer-controlled laser cutter, a plotter cutter, several programming tools, a precision milling machine and also a numerically-controlled milling machine. [16] Although there are a lot of commonalities among the different Fab Labs, every lab still has its own identity. Slight differences regarding the services and tools which are provided in the labs and the various user groups determine these identities.
Based on our own experience an extension of the provided tools towards a 3D-printer makes the most sense. Therefore at the Fab Lab at the Institute of PSM additionally a 3D-printer named “3D Touch” is available. Furthermore the required basic tools as a MDX-540 SA precision milling machine from Roland, a CAMM-1 Servo GX-24 plotter cutter from Roland and a VLS 3.50 laser cutter from Universal Laser Systems are provided. Although there is only limited space, additionally a sand blaster, a computer workstation, a workbench and some electrical tools are available. Basically the lab can be used by all students of the University and once a week also by external visitors. The main target group consists of students who are participating the course “Product Innovation Project”.
4. Rapid Prototyping in University Education – The Product Innovation Project
The course "Product Innovation Project" was founded in 2006. The main idea is to bring students of different fields of study together to work on projects and develop new products. The students have to work as a team to be able to create a solution to fulfill complex product development tasks. The outputs of the course are working prototypes. Key elements of organizational framework of “Product Innovation Project” are interdisciplinary, intercultural and international student teams. It shall impart the holistic view on the product development process, from idea generation until the market introduction. An adequate budget – paid by the industrial partners – allows the manufacturing of a working prototype in workshops like a maker space.
“Product Innovation Project” splits up the innovation process in a way that the process steps are carried out by different executing parties according to their strengths and weaknesses. Whereas university acts as a host for the project preparation, organization and contributes its specific technical know-how and facilities, the main actors in the actual innovation process are the student teams. The industrial partners cover the very first (the strategic decision of “what and how to innovate”) as well as the very last phase in the process (refinement, production, and market introduction). The teams of students intermediate carry out the phases from idea generation until the preparation of a working prototype and a product concept, as seen in Fig. 1. [17]
57
Fig. 1 Integration of “Product Innovation Project“ into the innovation process according to [17]
In past periods of the project, it was recognizable that in addition to support provided by the industrial partners, the student teams are willing to make various different prototypes on their own instead of hiring a contract manufacturer. But this was not possible due to an inexistent small fabrication laboratory. While analyzing the product development process, it’s worth noting that it is not only necessary to have maker equipment in phase VII and VIII, where the students put all effort on the development and realization of the working prototypes. Especially in the phase II, IV and V a fast and uncomplicated access to manufacturing machines is essential. Students can generate far more ideas or rough product concepts when virtual 3D models are transformed in physically existing prototypes. Experience shows that often only these prototypes allow proper evaluation of product size, materials and other important product attributes. Early prototyping as well as detailed research on the available solutions, their advantages and possible problems, their stage of maturity (research stage or available on the market) are the basis for an outstanding result and a small fabrication laboratory provides the right tools.
In addition, cooperation between the stakeholder groups can provide benefits for each of them, like hands on experience for students in a product development project, additional funding and research fields for universities or access to qualified students for companies. These benefits are the result of an up-to-date learning environment, involving students, industrial partners and scientific staff of universities. It is worth to mention that students are investing the most working hours compared to other stakeholders in such a project. Due to this reason, the members of the student teams play a key role within the stakeholder constellation and it’s very important not only to ensure their motivation but also provide them professional facilities to support the product development process.
5. Conclusion The past few years showed what students are able to create, if
they got the chance to develop their own projects. Students learn through challenges, so it’s important that the university challenge their students. In addition, the idea of having a physical output is a long-term motivation for every student. Due to this reason, Graz University of Technology decided to go one step further and join the Fab Lab community in summer 2014. Through providing such an environment, where students can make their ideas real, it can be ensured that they have the possibility to develop their full potential.
6. References
[1] A. H. Fritz und G. Schulze, Fertigungstechnik 10.Auflage, Berlin: Springer, 2012, p. 106.
[2] M. F. Zäh, Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien, München: Carl Hanser, 2006, p. 11.
[3] A. H. Fritz und G. Schulze, Fertigungstechnik 10.Auflage, Berlin: Springer, 2012, p. 108.
[4] A. Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren 3.Auflage, Erkelenz/Düsseldorf: Carl Hanser, 2007, p. 81.
[5] P. Fastermann, 3D-Druck/Rapid Prototyping, Düsseldorf: Springer, 2012, p. 122.
[6] A. Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren 3.Auflage, Erkelenz/Düsseldorf: Carl Hanser, 2007, p. 121.
[7] A. H. Fritz und G. Schulze, Fertigungstechnik 10.Auflage, Berlin: Springer, 2012, p. 109.
[8] A. Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren 3.Auflage, Erkelenz/Düsseldorf: Carl Hanser, 2007, p. 122.
[9] P. Fastermann, 3D-Druck/Rapid Prototyping, Düsseldorf: Springer, 2012, p. 120.
[10] A. H. Fritz und G. Schulze, Fertigungstechnik 10.Auflage, Berlin: Springer, 2012, p. 112.
[11] M. F. Zäh, Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien, München: Carl Hanser, 2006, p. 10.
[12] M. F. Zäh, Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien, München: Carl Hanser, 2006, p. 80f.
[13] P. Fastermann, 3D-Druck/Rapid Prototyping, Düsseldorf: Springer, 2012, p. 54.
[14] P. Fastermann, 3D-Druck/Rapid Prototyping, Düsseldorf: Springer, 2012, p. 49.
[15] fabfoundation.org, „fabfoundation.org,“ 17 6 2014. [Online]. Available: http://www.fabfoundation.org/fab-labs/. [access date 17 6 2014].
[16] fab.cba.mit.edu, „fab.cba.mit.edu,“ 1 7 2014. [Online]. Available: http://fab.cba.mit.edu/about/faq/ . [access date 1 7 2014].
[17] M. Fallast, H. Oberschmid, "Product Innovation Project" - a novel interdisciplinary student project, in Advances In Production Engineering & Management, Maribor, 2009.
58
CREATING AND RESEARCHING SUSTAINABLE DESIGN OF CORRUGATED CARDBOARD FURNITURE WITH ADVANCED TECHNOLOGICAL MEANS
СЪЗДАВАНЕ И ИЗСЛЕДВАНЕ УСТОЙЧИВИЯ ДИЗАЙН НА ГОФРИРАНИ КАРТОНЕНИ МЕБЕЛИ СЪС СЪВРЕМЕННИ ТЕХНОЛОГИЧНИ СРЕДСТВА
Phd Tihomir Dovramadjiev, Prof. Phd Plamen Bratanov, Phd Kremena Cankova, Phd Ginka Jecheva
Mechanical Engineering Faculty, Industrial Design Department - Technical University of Varna, Bulgaria.
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract: Furniture made of corrugated cardboard is environmentally friendly, cheap and allow a construction of complex geometry in
design and ergonomics of wide application. They may have functional value, art direction, etc. The application of advanced technological means which support the design process of furniture made of cardboard allows optimization of the complete process of creating a sustainable design.
Keywords: SUSTAINABLE, DESIGN, 3D, CARDBOARD, FURNITURE, SOLIDWORKS
1. Problem discussion Furniture made of cardboard are ecologically clean, cheap and
allow a construction of design with complex geometry of design, ergonomics and wide application in various aspects of daily life, interior and exterior. They may have functional value and art direction. For furniture made of cardboard new and/or already recycled materials can be used that contribute to the saving of timber (environmental and green protection), water saving (up to 99%), energy (up to 50%) and removal of waste (up to 90%) [1 - 3]. A very important point is the usefulness of the cardboard material referring to the environment and the advantage which is its quality to hold carbon emissions in the bulk structure. In order the relationship between cardboard material, its own volume and the level of carbon to be precisely examined it is necessary to use advanced technological means of Dassault System SolidWorks Sustainable [4, 5]. It allows analyzing the ecological impact on the environment of already constructed in SolidWorks CAD medium 3D models of furniture and optimizes their design compared to global environmental standards. Optimizing the process of creating furniture designs made from cardboard will help in improving the condition and quality of the production and optimization of the product life cycle [6 - 9]. The present work aims to explore the possibilities of direct advanced technological tools applied in the creation of sustainable furniture design made of cardboard and optimize the process.
2. Objective and research methodologies The design of environmentally friendly furniture made of
cardboard material is optimized by methods combining basic principles when constructing models through technological means, opportunities to study the quality of the material and market factors (Table 1).
Table 1. Creation sustainable design of cardboard furniture
CREATION SUSTAINABLE DESIGN OF CARDBOARD FURNITURE
PLM SolidWorks Sustainable
Technological way of making cardboard furniture
CAD/CAM Part, Assemblies and Drawings Design
Opportunities to study the quality of the material
CAE / empirical real tests
Database / in real time internet analysis
Factors Optimization of the design criteria and standards
Carbon footprint Water Eutrophication Air Acidification Total Energy
Consumed
Market Environment
Equity / Society
Economy
Material Production Transportation
Distribution (LCA)
The design of furniture from cardboard passes through ESW cycle (Fig. 1). The stages of the process support the optimization design based on specific features separated by criteria which contribute to the precise design from the conceptual idea to the finished product and its quality evaluation by SolidWorks Sustainable technological mean.
Fig.1. Ecodesign Strategies Wheel [1, 4, 9]
Using the methodology (Table 1) to create cardboard furniture and ESW cycle there have been developed variations of ergonomically streamlined design of interior and exterior furniture - chairs and table. Their design is fully optimized in terms of material and strength. Constructive appropriate options are selected of assembling in important areas providing stability. The thickness of a single sheet of cardboard is 7mm. The specific points, where are the supporting parts, are connected by three (7mm corrugated paper), providing the necessary reliability of the structure (Fig. 2).
59
(а)
(b)
Fig. 2. Dimensions of the models (a) ECOSEAT and (b)ECOTABLE
The concept of using eco furniture from cardboard implies the right atmosphere and setting. An exemplary application of the resulting patterns in the interior environment is shown in Fig. 3.
Fig. 3. Models of interior cardboard furniture
The sustainable design of the models is developed and optimized for the European region (Fig. 4).
Fig.4. Manufacturing and use region
The information about transport, the sustainable design information, and environmental values of Carbon Footprint, Water Eutrophication, Air Acidification and Total Energy Consumed per unit model ecoseat and ecotable are shown in tables. 2 and 3.
Table 2. Properties
PROPERTIES ECOSEAT ECOTABLE
Material Corrugated paper Corrugated paper
Volume: 4.99E+7 mm³ 5.84E+7 mm³
Surface Area: 1.46E+7 mm² 1.70E+7 mm²
Weight: 7792.13 g 9109.51 g
Primary Mode of Transportation:
Train Train
Table 3. Environmental impact
ENVIRONMENTAL IMPACT
ECOSEAT ECOTABLE
Carbon Footprint 3.50 kg CO2 4.09 kg CO2
Water Eutrophication 9.33E-3 kg PO4 0.01 kg PO4
Air Acidification 0.02 kg SO2 0.03 kg SO2
Total Energy Consumed
109.51 MJ 128.03 MJ
3. Conclusion Integration of advanced technological means in creating the
design of eco furniture from corrugated cardboard material is a very good sustainable solution. The modeling of the ESW full cycle support both optimization of the design of the developed products and qualitative analysis of environmental values. These are necessary conditions for the protection of ecological environment combined with modern, sleek and available at cost price of products widely used in both the interior and the exterior environment.
References [1]. NCASI. Life cycle assessment of u.s. average corrugated product. Research
Triangle Park, NC. USA, April 2014. [2]. Planet Ark Environmental Foundation. Sydney, Austalia, 2014
.http://planetark.org/. [3]. Corrugated Packaging Alliance (CPA). Corrugated Packaging Life-cycle
Assessment. Summary Report. USA, 2010. [4]. Guide to Sustainable Design using SolidWorks Sustainability. Dassault
Systemes SolidWorks. USA, 2014. [5]. Benjamin Tan. Green Design with SolidWorks. Dassault Systemes. [6]. Oltikar, akhil manohar. Computer-Aided Engineering of Plywood Upholstered
Furniture Frames. USA, 2000. [7]. Michael Lee. Cardboard Chair Project. Research Report. [8]. Greg Saul, Manfred Lau, Jun Mitani, Takeo Igarashi. SketchChair: An All-in-
one Chair Design System for End Users. TEI’11, January 22–26, 2011, Funchal, Portugal.
[9]. Julija Jeganova. Product Life Cycle Design: Integrating Environmental Aspects into Product Design and Development Process at Alfa Laval. Lund University. Sweden, 20004.
60
