MACHINES, TECHNOLOGIES, MATERIALS 2014 11th INTERNATIONAL CONGRESS PROCEEDINGS 4 VOLUME 4: SIMPOSIUM “INDUSTRIAL INFORMATIC” SIMPOSIUM “ERGONOMICS & DESIGN” SIMPOSIUM “MANAGENENT” ISSN 1310-3946 (14/163)
Organized by SCIENTIFIC-TECHNICAL UNION OF MECHANICAL ENGINEERING
17 - 20 SEPTEMBER 2014 VARNA, BULGARIA 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 [email protected]
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 управлението (ГИУ). Той контролира работата на блока, като в зависимост от настъпило входно събитие може да се активира Съвременните производствени и индустриални системи изпълнение на съответстващ алгоритъм и се генерира изходно трябва да реагират в реално време и бързо да се адаптират и събитие [7]. Тялото на основния ФБ може да се представи чрез пренастроят за изпълнение на изискванията на настоящия интерфейс от входове и изходи за данни, както и вътрешни и динамичен пазар [1]. Ето защо е подходящо производствените невидими за блока алгоритми и вътрешни данни. Входните и системи да се изграждат с реконфигурираща се структура, изходните събития и данни, които имат зависимост както на ниво машини, така и на ниво управление [2]. За (отношение) помежду си имат създадени комуникационни разработването на реконфигуриращо се управление трябва да връзки. По такъв начин се активира дадено събитие. Например има промяна в управлението, изпълнявано от програмируеми при постъпване на данна на вход 1 се активира събитието, контролери – от управление с централизирана архитектура в което е на входа за събития 1. 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 Фиг.1: IEC 61499-базиран модел на основен ФБ [7] 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 Друг модел на ФБ е този на съставен функционален блок. модели, като моделът на основен функционален блок (ФБ), Той е изграден от мрежа от ФБ и се управлява само събитийно, както и модел на приложение. В раздел 3 е представено като тук отсъства графа за изпълнение на управлението [7]. разработеното приложение, което се базира на предварително Моделът на IEC-61499 базираното приложение се състои от създадени основни функционални блокове, съставен ФБ, както мрежа от функционални блокове (основни и интерфейсни ФБ и събитийни ФБ моделиращи различни функции по за услуги) или подприложения и техните параметри. Изводите управлението на сортиращата станция. на приложението представят информационни връзки (за данни) и събитийни връзки. Подприложенията представляват екземп-
ляри от тип подприложение, които подобно на приложенията 2. Референтни модели дефинирани в се състоят от мрежа от ФБ, като свойствата им включват тези на приложенията и на съставните ФБ. Едно приложение може стандарта IEC 61499 да се разпределя между няколко ресурса в едно или няколко Стандартът IEC 61499 дефинира следните базови устройства [8], както е показано на фиг. 2. Ресурсът използва референтни модели, чрез които може да се създават причинно-следствените връзки, посочени в приложението, за разпределени системи за управление: модел на система, модел да се определи най-подходящите отговори за събития, които на устройство, модел на ресурс, модел на функционален блок, могат да възникнат от комуникационния или процесния модел на приложение и мениджмънт модел. интерфейс или от други функции на ресурса [10]. Тези отговори могат да включват: а) планиране и изпълнение на Основният функционален блок може да се представи чрез алгоритми, б) промяна на променливи, в) Генериране на графичната фигура показана на фиг. 1, която е съставена от т. допълнителни събития, д) взаимодействия с комуникационния нар. глава и тяло. Към главата са включени следните елементи: и процесния интерфейс. входове и изходи за събитията, както и граф за изпълнение на
3 • 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 Входове Тип и означение на предназначение на станцията сензора 1. PART S1 I0 оптичен - _AV 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 Фиг.2: Модел на IEC 61499-приложение [9] магазинния модул 3. Сензори и изпълнителни механизми на 5. 1В1 S5 I4 индуктивен - горно положение на буталото сортираща станция Festo MPS Sorting на А2
Сортиращата станция Festo MPS Sorting (фиг. 3) включва 6. 1В2 S6 I5 индуктивен - долно следните основни компоненти и елементи: положение на буталото • Пулт за управление (1); на А2 • Количка (2); 7. 2В1 S7 I6 индуктивен - горно положение на буталото • Профилна плоча (3); на А3 • Конвейерен модул (4); 8. 2В2 S8 I7 индуктивен - долно • Магазинен модул (5); положение на буталото на А3 • Спиращ модул (6);
• Сортиращи модули (7, 8); 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 Работно Изходи на Изпълнителен на FESTO означение станцията 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
Фиг.3: Сортираща станция Festo MPS Sorting [11] 4. IEC 61499-приложение за управление на • Сензори (а); сортиращата станция Festo MPS Sorting • Зона за определяне типа на детайлите (б); В приложението за управление на сортираща станция Festo • Входна позиция за постъпване на детайли върху лентата MPS Sorting, дадено на фиг. 4, са включени функционалните на конвейера (в). блокове за управление на конвейера и сортиращия модул, разгледани подробно в [12, 13]. Последователността на Функциите, които се реализират на сортиращата станция са изпълнение на приложението е следната: следните:
• Дефиниране на типа на детайлите;
• Транспортиране на детайлите;
4 1. Постъпване на детайл върху станцията 6. Сортиране на детайлите При постъпване на детайл (Д) върху конвейера на В зависимост от типа на детайла постъпил върху конвейера станцията, сигнал от сензора S1 (PART_AV) постъпва в и дефиниран от сензорите на станцията, в настоящата работа е събитиен вход WP_Available на ФБ за управление на предвиден следния сценарии: конвейера “FESTO_CONV_CTRL”. при постъпване на червен детайл се включва първи 2. Включване на конвейера сортиращ модул А2 и детайла се сортира в първи улей Генерира се изходно събитие Run_Conv на блока (фиг. 5) “FESTO_CONV_CTRL”. Този сигнал се подава към • електромотора на конвейера А1 (М1) за включването му. при постъпване на метализиран детайл се включва втори Адресът на мотора А1 на станцията е О0. сортиращ модул А3 и детайла се сортира във втори улей (фиг. 6); 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”. Фиг.6: Сортиране на детайл тип „метализиран“ б) наличие на червен (нечерен) детайл • при постъпване на детайл тип „черен“ сортиращите модули При поява на детайл тип „червен“, сензор S3 (В3) създава не се включват и детайла постъпва в последния трети улей сигнал, който постъпва на събитиен вход “WP_not_Black” на ФБ за управление на сортиращия модул (фиг. 7). “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 Фиг.7: Сортиране на детайл тип „черен“ • включва се електромотор М1 за придвижване на детайла към магазинния модул. 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. Фиг.5: Съвместна работа на обработваща и сортираща станция на Festo, налични в кат. ТМММ, МТФ, ТУ-София – сортиране на детайл тип „червен“
5 6. Литература присъждане на образователна и научна степен „доктор”, 2013, 228 стр. 1. Sardesai A., O. Mazharullah, V. Vyatkin, Reconfiguration of Mechatronic Systems Enabled by IEC 61499 Function Blocks. 9. Lewis R, Modelling Control Systems using IEC 61499 – Applying function blocks to distributed systems, “The 2. Koren, Y., Heisel, U., Jovane, F., Moriwaki, T., Pritchow, G., Institution of Electrical Engineers”, London, United Kingdom, Van Brussel, H., Ulsoy, A.G., “Reconfigurable Manufacturing 2001. Systems,” CIRP Annals, 1999, Vol. 48, No. 2 10. Карамишев Хр., Г. Попов, И. Бачкова, Създаване на IEC 3. Vyatkin V., J. Christensen, J. L. M. Lastra, F. Auinger, 61499 базиран ресурс за управление на обработваща OOONEIDA: An Open, Object-Oriented kNowledge Economy станция S-BE-M на FESTO, Автоматика и for Intelligent Distributed Automation. информатика’12, 03-05 октомври, София, 2012, стр. 108- 4. Java-базиран контролер “Netmaster II”, available: 111. http://www.elsist.com, 2014. 11. FESTO, Bulgaria, Official website, http://www.festo.bg 5. IEC 61499-1, Function Blocks for Industrial-Process Measurement and Control Systems – Part 1: Architecture, 2003. 12. Карамишев Хр., Г. Попов, И. Бачкова – ІEC 61499 базиран модел за управление на конвейерен модул на сортираща 6. Vyatkin V., IEC 61499 Function Blocks for Embedded and станция FESTO MPS SORTING, X междуна-роден конгрес Distributed Control Systems Design, Second Edition, ISBN „Машини, Технологии, Материали“ MTM’13, 18 - 20 978-1-936007-93-6, 2012. септември, 2013, Варна, Сборник с доклади, том 3, стр. 3-6. 13. Карамишев Хр., И. Бачкова, Г. Попов – Разработване на 7. Preuße S., D. Missal, Ch. Gerber, M. Hirsch, H.-M. Hanisch – ІEC 61499 базиран мо-дел за управление на On the Use of Model-Based IEC 61499 Controller Design, разпределителен модул за сортираща станция FESTO MPS International journal of discrete event control systems, vol. 1, SORTING, X Международен Конгрес „Машини, no. 1, march 2010. Технологии, Материали“ MTM’13, 18 - 20 септември, 2013, 8. Карамишев Хр. – Методология за изграждане, управление и Варна, Сборник с доклади, том 3, стр. 7-10. диагностика на реконфигуриращи се металорежещи машини, базирани на стандарта IEC 61499, дисертация за
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 [email protected] 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 The paper is organized in 4 parts. After the introduction, in part 2 the related work about existing approaches for development of Manufacturing systems are becoming more and more complex MES is discussed. Part 3 of the paper presents the proposed and there are many working groups whose research activities are approach for development of SPM for MES is described. A case directed in finding new modeling approaches for managing this study concerning an application of the suggested approach for a real complexity and for development of software process model (SPM). industrial unit is presented in part 4. Finally some conclusions are MES are combined, information, process-oriented and event and made. time activated software systems which main purpose is to link the automation layer to business planning and logical layer (ERP) [1]. 2. Related work One of the major challenges facing manufacturing today is ability to accurately express the information from multiple disciplines - MES engineering is an interdisciplinary challenge and requires mechanical, electrical and software engineering used of cooperation between plant engineers, MES engineers, plant Manufacturing Execution Systems (MES). Another challenge is manager, production manager, IT engineers, solution developer, etc. connected with the development of unified modeling framework for The development and implementation of MES is a difficult task and modeling of the important views of MES components using the main challenges facing the field of MES are associated with the different modeling languages and standards. need of unified modeling framework and SPM that can be used to represent and execute such type of systems. The modeling The engineering and specification of MES is an techniques in the field of MES can be categorized in three basic interdisciplinary process which integration requires a modeling groups – using of standard models, terminology and consistent set language able to represent software, hardware and their interactions. of concepts provided by ANSI/ISA-S95 standard [1, 5, 6]; using of The rapid progress of computer technologies leads the possibilities MDE and MDA based approaches [2, 3, 4, 7] and set of approaches for development of new methodologies, methods and approaches based on MES process modeling [8, 9]. suitable for development of software and hardware in industrial systems. Some of the most promising and challenging approaches 2.1. Approaches using ANSI/ISA-S95 are these of Model Driven Development (MDD) and Model Driven ANSI/ISA-S95 standard provides standard models, terminology Engineering (MDE) [2], where the systems are presented as models and a consistent set of concepts for defining the interfaces between that conform to meta-models, and the model transformations are an enterprise’s business systems and its manufacturing control used to manipulate the various representations. Model Driven systems, and the activities of manufacturing operations management Architecture (MDA) [3] is a remarkable MDD initiative of Object [1]. The suggested functional enterprise-control model is composed Management Group (OMG), consisting in transformation of of 12 classes of different set of functions as shown in fig. 1. The different platform independent models towards executable information flows between the different functions are defined and applications. In the core of MDA are the open standards - UML, categorized in three main areas: information required producing a MOF, XMI, etc. UML [4] does not specify a methodology for product, information about the capability to produce a product and model driven software or system development but aims to provide information about actual production of the product. A general an integrated modeling framework, covering structural, functional activity model for all these categories is proposed, with the purpose and behavior descriptions. to identify all possible data flows within manufacturing operations. The currently available MES, based on traditional approaches, As shown in fig. 1, eight main activities are defined: detailed have monolithic architecture, are not flexible enough and have a scheduling, dispatching, resource management, tracking, definition limited scope. Due to the difficulties in their configuration and management, data collection, execution management and analysis. adaptation to specific needs, they do not meet the requirements of The object models of these functions are depicted using the modern industry. The main trend to overcome these shortcomings is Unified Modeling Language (UML) notational methodology. An the use of new, advanced software process model (SPM) for MES extended approach based on ANSI/ISA-S95 series of standards development. integrates ontologies in order to achieve interoperability of the The main aim of the proposed paper is to suggest an approach internal and external systems. for development of unified modeling framework and SPM for 2.2. MDE and MDA based approaches development of the important views of MES components and coupling their established modeling notations, based on the The UML [4] as a general purpose modeling language and an combined use of UML profile - SysML and ANSI/ISA-S95 open standard supports the MDE and MDA. It does not specify a standard models. 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 not flexible enough; they have a limited scope and monolithic order to capture the full complexity in the phases of detailed architecture and may not be reused in new manufacturing analysis and system design. Different object-oriented approaches applications. based on UML and its profile for system engineering SysML [10] for development of control systems, which are applicable in The success of UML and SysML in unifying many different different industry areas, are investigated. Detailed description and object-oriented approaches and the graphical modeling language analysis of the different suggestions may be found in [11, 12]. The support of MES-ML to the required engineering process of MES led approach for MES modeling, based on SysML provides either an to the idea of their combined use for development of unified interaction between software components of MES and software and modeling framework and software process model for MES hardware components of the manufacturing system or possibilities components. Supplementary a separation of functions/activities of for abstract and detailed modeling of MES activities. 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.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 Fig.2: Approach for development of MES processes in MES, such as Business Process Modeling Notation (BPMN), Business Process Execution Language (BPEL), and The first step in the development of MES using the proposed SysML. The BPMN standard offers a number of structural approach is creating on UML/SysML profile extended with new elements, which are missing in other technologies and the predefined stereotypes based on MES-ML modeling notations. information for MES specification is spared among multiple co- According MES-ML the stereotypes are divided in several groups workers who have different view for technical and business process, representing MES functional model activities, MES functional know different details about the processes and have different model events, MES functional model data objects and getaways and requirements. BPMN is insufficient for modeling of complex MES functional model connecting objects, swim lines and artifacts. systems but enables to present MES system as a collection of To each stereotype an icon from MES-ML modeling notations is separate processes (which represent the MES functions), and so it is assigned. possible to model these processes separately under one large model [13, 14]. The development process of the MES requirements and performance analysis function is divided into two main steps – In [15] M. Witsch and B. Vogel-Heuser suggest a modeling define the concrete customer functional requirements and selection framework that integrates the different important views for MES of MES functions represented through the Requirements Diagram specification by coupling their established modeling notations. The (RD) and Requirements table (RT); and MES functionality main contribution of this framework is the integration of a technical definition using Use Case Diagram (UCD) and Block Definition system model, a production process model and an MES functional Diagram (BDD). The performance analysis function is based on the model with their interconnections and dependencies by a formal follow steps – analysis of the MES domain to define the link model. MES-ML proposes a graphical MES modeling environment of the MES, analysis of the MES structure and language. The technical system model represents the static technical manufacturing system and analysis of customer requirements and systems that perform MES functions. This model either could be on specification. BDD is used to perform analysis of the MES domain the abstraction level of an entire plant, or detailed to atomic and the MES structure and manufacturing system and in order to function units depending on the needs. The second model is the present customer requirements RD, RT and UCD are used. production process model, which represents the manufacturing systems in MES. The authors propose to use UML activity diagram The description and analysis of MES processes and the or flow chart as the modeling notation. definition of the interfaces between an enterprise’s business systems and its manufacturing control systems, and the activities of 3. Short description of suggested approach manufacturing operations management are sub-stages from next stage in the proposed methodology - architecture design. This stage The existing modeling approaches in the area of MES are not includes the design of ANSI/ISA 95 models using BDD which are sufficient to satisfy the users and system requirements and for customized through the MES-ML stereotypes and design of the development of the important views of MES components. MES are different views for MES system - technical system model, a
8 production process model and MES functional model modeled with definition, product capability, product schedule, product Block Definition Diagram, Internal Block Diagram and Activity performance, operation definition, operation capability, operation Diagram customized through the MES-ML stereotypes. In order to schedule and operation performance models presented like blocks. model the physical structure of the manufacturing control system The characteristics of each model are presented with attributes. The (technical system model), BDD is used. The processes in the meta-models of the Quality operation management function, manufacturing systems (production process model), Activity Maintenance operation management function and Inventory Diagrams in different level of decomposition are used. The operation management function may be modeled according their functions of MES embedded in interacting IT functionalities and equal UML models. 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.3: Pick and Place unit 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
Fig.4: Meta-model of Production Operation Management functions The operation schedule (fig.5), operation definition (fig.6) and assigned with attribute named “WP”, presenting the number of operation performance models (fig.7) for PPU are presented using work pieces for PPU. BDD. The Operation schedule model for PPU (fig.5) consists of blocks named according ANSI/ISA-95’s model “PPU-Request”, In fig.6 the operation definition model for PPU is shown. The “Requirement”, “Equipment Requirement” and “PPU-Material”. model consists of blocks with names “PickUp&Place”, “Operation The information needed for model elements is presented as Material Bill”, “PPU”, “Operation Definition Dependency”, attributes with appropriate data type and constraints defined using “Parameter Specification”, “Equipment Specification” and OCL (Object Constraint Language). The attributes in block “PPU- “Material Specification”. In block “Operation Definition Request” show that the plant execute Scenario 0 [16], type of Dependency” the operations dependency according ANSI/ISA-S95 operation is production, start and stop time of the process. The specifications g dependency types: B can not follow A; B may run block “Requirement” contains information about earliest start time in parallel to A; B may not run in parallel to A; start B no later of the process, latest end and duration of the process. The required than T (Timing Factor) after A start; etc. are defined. Timing factor equipment for execution of Scenario 0 is Micro switch, Motor, is also defined as constraint in block “PPU” and attribute Vacuum switch, Monostable Cylinder, Turning table, Stack, Crane, “Duration”. The operation definition constraints are assigned using Ramp and Binary Sensors are defined as attributes in block OCL. The type and number of required equipment is defined in “Equipment Requirement”. The information about material is “Equipment Specification”.
9 Fig.7 shows the operation performance model for PPU which The future research activities are concentrated mainly on consist form blocks named “PPU-Operation Response”, applying the suggested approach to continuous and batch systems as “Response”, “Equipment Actual” and “Material Actual”. Due the well as application of the suggested approach in industry. 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.7: Operation performance model for PPU
6. References Fig.5: Operation schedule model for PPU 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, Fig.6: Operation definition model for PPU ISBN: 978-953-307-174-9. 13. Mili H., Tremblay G., Jaoude G.B., Lefebvre E., Elabed L., Boussaidi 5. Conclusions G.E., Business process modeling languages: Sorting through the alphabet soup. ACM Computing Surveys (CSUR), 43(1):4, 2010. The paper presents an approach for development of unified 14. Michalik P., Štofa J., Zolotová I., The use of BPMN for modelling the modeling framework and SPM for modeling of important views of MES level in information and control systems, Quality innovation MES and their components. The UML/SysML profile is extended prosperity XVII/1 – 2013, ISSN 1335-1745, pp.39-47. and at the same time restricted with different stereotypes from 15. Witsch M., Vogel-Heuser B., Modeling of Manufacturing Execution MES-ML and ANSI/ISA S95 standard models. The benefits of Systems: an Interdisciplinary Challenge, 15th IEEE International using this approach are summarized as follow: development of Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, 2010. open, flexible and reusable components, faster specification of MES 16. Institute of Automation and Information Systems. The Pick and Place functionality, improvement of capabilities for requirements Unit – Demonstrator for Evolution in Industrial Plant Automation, definition, etc. 2013. http://www.ais.mw.tum.de/ppu/.
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.
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
ща се при делта робот с три степени на свобода със същата 1. Увод геометрия. Тази промяна идва от свойството на карданните Съществен недостатък на делта роботите с три задвижващи съединители да пренасят въртеливо движение на валове с пре- електромотора е силно ограничената ориентация на изходното сичащи се оси под ъгъл до 45°. При разработване на робот от звено на робота. Обикновено броят на задвижващите електро- такъв тип е необходимо да се изследва влиянието на карданни- мотори съответства на броя на степените на свобода. В този те предавки и отражението им в работната зона. Визуализира- случай трите електромотора осигуряват трите степени на сво- нето на работната зона може да се постигне в MATLAB. бода, които отговарят за позиционирането на изходното звено и същевременно самата структура на робота позволява още три 2. Подход за генериране на работната зона степени на свобода, отговарящи за ориентацията на изходното на делта робот с шест степени на свобода звено. Последните са силно ограничени, което е и причината тези роботи да се водят с три степени на свобода. Внасянето на Изчисленията и визуализациите в подхода се изпълняват в софтуерната среда MATLAB. Подходът е представен в блок- допълнителна гъвкавост в този тип структура е съпроводено с схема на фиг. 2. 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 Въвеждане на данни звено на робота. Частично решение на проблема е добавяне на четвърти електромотор в стойката на робота, осигуряващ ори- Генериране на пространствена мрежа ентация във вертикалната ос, като въртеливото движение от двигателя се пренася до изходното звено чрез карданна предав- ка. Генериране на позиционен вектор с коорди- нати на точка от пространствената мрежата
Да Двигател за Вилка позиционираща ос
С позиционния вектор се Не получава затворена структура?
Двигател за ориентираща ос Да
Прът Подвижна платформа Карданен Карданните ъгли са Не съединител по-малки от 45°?
фиг. 1
Визуализира се точката Оригинално решение на проблема е представено от фирма Fanuc в робота m-3ia [1]. На фиг. 1 е показана конструкция на фиг. 2 робот от този тип, създадена от водещия автор в настоящата работа. Добавени са три електромотора между трите комплекта Скриптът представлява математично описание на геомет- пръти, свързващи вилките на робота с подвижната платформа. рията на робота, позициониран последователно в множество точки, с координати взети от пространствена мрежа. За всяка Електромоторите се монтират в непосредствена близост до една позиция се пресмятат чрез инверсна кинематика ъглите вилките, за да се ограничи в максимална степен неизбежното заключени между звената на робота. Програмата работи в намаляване на динамиката на робота. Въртеливото движение от следната последователност: двигателите се предава към механизмите в подвижната плат- A. Въвеждане на геометричните размери на робота форма, чрез валове, снабдени с карданни съединители. Кардан- ните съединители внасят промяна в работната зона, получава- При първата стъпка на подхода се въвеждат следните гео- метрични размери на робота:
11 – разстоянието от ос Z до оста на вилката (фиг. 3);
퐿 – разстоянието от центъра на подвижната платформа до точката в която се пресичат осите на карданния съединител (фиг.푙 3); – дължината на вилката (фиг. 3);
푙1 – дължината на пръта (фиг. 3); 푙2 – минимален ъгъл, на който могат да се завъртат вил-
ките (푚푖푛фиг. 4); 푞푖 – максимален ъгъл, на който могат да се завъртат вил-
ките (푚푎푥фиг. 4); 푞푖 – ъгълът заключен между изходния вал на карданния съе- динител и ос (фиг. 6). 푏 푍푘
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 [3][4][5]. Ако със съответния позиционен вектор се получи затворена структура и ъглите , и изпълняват 푖 условието 푃�⃗ < < пресмятането с тази позиция на 1 2 3 робота продължава. 푞 푞 푞 푞푚푖푛 푞푖 푞푚푎푥 Ъглите q се изчисляват по следния начин, [3]. фиг. 3 • Ъгъл :
= tan (푞1 , ) cos , където 1 −1 −1 푎 1 1 1 2 2 푞 푐 푏 − �푏1 +푐1 = + + + + + + 2 2 , 푦 푦 퐿 2퐿푙 2√3푃 퐿 푙 2√3푃 푙 2 2 2 2 2 1 1 2 푥 푦 푧 푎 = 23 − 3 − 3 + 3 , 3 푙 − 푙 푃 푃 푃 2√3퐿푙1 2√3푙푙1 푏1 = 2푙1푃푥 .− 3 3
1 1 푧 푐• Ъ푙гъл푃 : = tan ( , ) cos 2 , където 2 −1 푞 −1 푎 2 2 2 2 2 푞 푐 푏 − �푏2 +푐2 = + + + + + + + 2 2 , 푦 푦 2퐿푙 2 2 2 퐿 푙 2 2 √3푃 퐿 √3푃 푙 푎2 푙푃푥 − 3 푃푥 푃푦 푃푧 3 3 푙1 − 푙2 3 − 3 = 3 + , 1 1 фиг. 4 2√3퐿푙 2√3푙푙 푏2 푙1푃푥 − 푙1푃푥 − 3 3 = 2√ . 2 1 푧 B. Генериране на пространствена мрежа 푐• Ъ푙гъл푃 : За всяка точка P, в която се пресичат три линии от мрежата = tan (푞3 , ) cos , където 3 се присвояват координати (фиг. 5) [2]: −1 −1 푎 3 3 3 2 2 = . 푞 푐 푏 − �푏3+푐3
푖 푥푖 푦푖 푧푖 = + + + + + + + 2 2 , 푃 푃 푃 푃 푦 푦 C. Генериране на позиционни вектори 2퐿푙 2 2 2 퐿 푙 2 2 √3푃 퐿 √3푃 푙 푎3 푃푥 − 3 푙푃푥 푃푦 푃푧 3 3 푙1 − 푙2 3 − 3 Броя на точките е равен на векторите (фиг. 5) [2]: = 3 , 2√3푙푙1 2√3퐿푙1 푖 = . �⃗푖 푃 푃 푏3 3 − √ 푙1푃푥 − 푙1푃푥 − 3 = 2 . 푖 푖 푖 푃�⃗푖 푃푥 푃푦 푃푧 푐3 푙1푃푧
12 E. Пресмятане на ъглите ki = cos( ) sin( ) ;
2푖 푖 푖 За всички позиции на робота, за които е изпълнено услови- 푃푥 = sin(휑2) ∗ 푃푥 +−cos(휑2) ∗ 푃푦 . ето от т. D се пресмятат ъглите , и заключени между 2푖 푖 푖 валовете на карданните съединители. Ъглите при зададен 푃푦 • Ъгъл 휑2 : ∗ 푃푥 휑2 ∗ 푃푦 1 2 3 вектор се определят, като се въведе푘 푘 нова푘 координатна систе- 3푖 . ма = + показана на фиг. 6. В푘 тази коорди- = cos 푘 , където 푖 푇�⃗푘3푖 퐺⃗푘3푖 натна система푃�⃗ се въвеждат следните вектори: −1 푘푖 푥푖 푦푖 푧푖 3푖 푂 푃 푙 푃 푃 푘 �푇�⃗푘3푖�∗�퐺⃗푘3푖� = sin( ) 0 cos( ) , = ; �⃗푘3푖 �⃗푘1푖 + cos + 푇�⃗ = +푏 cos 푏 + 푇 = 푇 sin 0 3푖 sin ; 3 3푖 3푖 3푖 . 1 푖1 푥푖 푦푖 푧푖 푖1 1 ⃗푘 1 푖 푥 푦 푧 퐺⃗ �퐿 푙 ∗ �푞 �� − �푃 푙� −푃 푃 − �푞 ∗ 푙 ∗ 퐺 0 �퐿 푙 ∗ �푞 �� − �푃 푙� −푃 푃 − 3 1 푖3 = cos1 ( ) 푖 sin( ) Където�푞푖 �� е единичен вектор съвпадащ с оста на изходния вал �푞 ∗ 푙 ∗ �푞 �� ; на карданния съединител и посока към стойката на робота 푥3푖 = sin( 3) 푥푖 + cos( 3) 푦푖 . 푇�⃗ 푃 휑 ∗ 푃 − 휑 ∗ 푃 (фиг. 6). Вектор е вектор с дължина l2 съвпадащ с оста на 3푖 푖 푖 входния вал на карданния съединител и с посока от подвижна- 푃 푦 휑3 ∗ 푃푥 휑3 ∗ 푃푦 та платформа към퐺⃗ вилката.
фиг. 7
F. Генериране на точка от работната зона на робота Ако за съответната позиция и трите карданни ъгъла , и фиг. 6 са по-малки от 45° се генерира точка с координатите на този 1 2 позиционен вектор. 푘 푘 За пресмятане на ъглите и е необходимо да преобразу- 푘3 След като цикълът завърши се визуализира област, изгра- ваме координатите на в координатни2 3 системи, съответно и , което става чрез ротация푘 푘 на координатната система на дена от множество точки, до които робота има достъп (табл.1). 푖 2 ъгли и , (фиг. 7). 푃� ⃗ 푋 푍 푋3푍 3. Резултати Ъглите휑2 휑 3 се изчисляват по следния начин: За по-нагледно визуализиране на резултатите е удобно да • Ъгъл 푘: се използват хоризонтални разрези на обемната работна зона на 1푖 . робота, (табл.1). Точките с по-светъл цвят представляват коор- = cos푘 , където 푇�⃗푘1푖 퐺⃗푘1푖 динатите на позиционните вектори, с които се получава затво- −1 1푖 푘 �푇�⃗푘1푖�∗�퐺⃗푘1푖� рена кинематична структура, но някои от карданните ъгли са = , по-големи от 45°. Следователно светлите участъци са тези в 1푖 푇�⃗푘 = 푇�⃗ . които делта робот с три степени на свобода може да бъде пози- циониран, но робот с шест степени на свобода и същата гео- 푘1푖 퐺 ⃗ 퐺⃗ метрия не може. Тъмните участъци са тези, в които и двата • Ъгъл : типа роботи могат да бъдат позиционирани.
2푖 . = cos 푘 , където 푇�⃗푘2푖 퐺⃗푘2푖 −1 2푖 푘 �푇�⃗푘2푖�∗�퐺⃗푘2푖� = ;
2푖 1푖 푇�⃗푘 = 푇�⃗푘 + cos + sin ; ⃗푘2푖 1 푖2 푥2푖 푦2푖 푧2푖 퐺 0 �퐿 푙 ∗ �푞 �� − �푃 푙� −푃 푃 − 2 �푞푖2 ∗ 푙1 ∗ �푞푖 ��
13 табл. 1 Z=250 Z=300 Z=350
Z=400 Z=450 Z=500 фиг. 8 фиг. 9
Показаните резултати са за робот със следните геометрич- ни параметри:
Параметър L l l1 l2 b q q
푚푎푥 Стойност 166 87,5 385 873 32° -52,8푖푚푖푛° 90푖 ° 푘45푚푎푥° mm mm mm mm
Z=550 Z=600 Z=650 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- Z=700 Z=750 Z=800 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. Z=850 Z=900 Z=950 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. Z=1000 Z=1050 Z=1100 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. На фиг. 8 са представени хоризонтални разрези в един изглед, а на фиг. 9 вертикални.
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 Двигател за позиционираща ос 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 Вилка роботите със серийна структура и по-високите работни скорос- ти, които осигуряват значително увеличаване на производител- ността. Подвижна платформа Основен проблем при конструирането на роботи с пара- Изходно лелна структура е определянето на въртящите моменти, необ- звено ходими за осъществяване позиционирането на изходното звено. За изчисляване на въртящите моменти при определени работни фиг. 1 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 2. Стандартен подход със задоволителна точност. Това е така, защото се изисква точно аналитично описание на инерционните характеристики За пресмятане двигателните моменти на който и да е ме- на конструкцията на робота, която подлежи на постоянна оп- ханизъм трябва да са известни закона за движение на двигателя тимизация в етапа на проектиране. Решението на проблема е и приведените инерционни моменти, действащи върху него. използването на съвременните софтуерни продукти MATLAB и МSC Adams, които работят в съвместен режим. Прилагането Съществен проблем при роботите с паралелна кинематика на този подход изисква програмиране на свързващ интерфейс и е фактът, че при проектиране на робота не могат директно да се специфични математични знания, а приложението на модела е пресметнат двигателните моменти при известни закони за само за този тип задачи. движение на изходното звено, тъй като не са известни двига- телните закони за движение. В настоящата работа се предлага нов подход, който поз- волява решаване на задачата единствено с помощта на софту- Законът за движение на изходното звено се представя чрез ерният продукт MSC Adams, като той е приложим за всякакви вектор (фиг. 2) като функция на времето: задачи, изискващи използване на инверсна кинематика. Подхо- 푃�⃗ дът включва въвеждане на геометричният модел на робота два = ( ) пъти в работната зона на програмата. На първия модел се зада- 푃�⃗ 푓 푡 ва закон за движение на изходното звено и се поставят инстру- При зададен вектор могат да се изчислят позиционира- менти за измерване на задвижващите ъгли. Тези ъгли се изпол- щите ъгли , , (фиг. 2) чрез инверсна кинематика [1]. Така 푃�⃗ зват в реално време като параметри за задвижване на втория при моделиран закон за движение (фиг. 3) на изходното звено 푞1 푞2 푞3 модел, от който се получават търсените въртящи моменти при = ( ), използвайки интегралния метод на инверсната кине- проиграване на зададения закон за движение на изходното матика могат да се представят ъглите , , като функции на 푃�⃗ 푓 푡 звено. Или иначе казано програмата самогенерира входните [1]: 푞1 푞2 푞3 параметри за задвижване на робота, за които в другите подходи �⃗ е нужен допълнителен софтуер. 푃 , , = ( )
1 2 3 Горното уравнение представлява푞 푞 푞 푓 законите푃�⃗ за движение на двигателите при желан закон за преместване на изходното
15 звено на робота, но пресмятането му изисква използването на приложен софтуер.
фиг. 4
фиг. 2
фиг. 5
Следователно за пресмятане на двигателните моменти при даден закон = ( ) е необходимо да се генерират двигател- ните задвижващи ъгли , , = ( ), които да задвижват 푃�⃗ 푓 푡 тримерния кинематичен модел, чрез който се получават инер- 푞1 푞2 푞3 푓 푃�⃗ ционните моменти , , = ( ).
퐽1 퐽2 퐽3 푓 푃�⃗
фиг. 3
За представянето на инерционните характеристики на ро- фиг. 6 бота във функция на се изисква моделиране на подходящ тримерен кинематичен модел на робота с CAD продукт (фиг. Разработен е метод [2][3][4], чрез който при зададен закон 푃�⃗ 4). за движение = ( ), в програмната среда MATLAB (фиг. 6) се калкулират задвижващите ъгли, които през комуникиращ �⃗ Тримерният кинематичен модел, който съдържа инерци- интерфейс задвижват푃 푓 푡 кинематичния модел на робота в софту- онните характеристики на конструктивния модел, подлежи на ерния продукт за динамични симулации MSC Adams (фиг. 7). постоянни модификации, които са следствие на оптимизацията При стартиран тримерен модел в MSC Adams, програмата на конструктивния тримерен модел (фиг. 5). 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
фиг. 9
3. Описание на подхода с дублиране на • С инструмента General Point Motion (фиг. 10) се модела програмира закон за движение на изходното звено на При предлагания тук подход се генерират задвижващите задвижващия робот ъгли , , = ( ) директно в софтуера за динамична симу- лация. Ключовия момент за постигането на това е кинематич- 1 2 3 �⃗ ният модел푞 푞 푞на робота푓 푃 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. 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- Последователността на работа на метода е визуализи- ли, а втория по закон за движения на изходното звено. ран на фиг. 13. Стъпка 1 е задвижването на първия робот чрез закон за движение на изходното звено = ( ). На стъпка 2 се измервата задвижващите ъгли , , , които при стъпка 3 се 푃�⃗ 푓 푡 изпращат на втория робот и го задвижват на стъпка 4. 푞1 푞2 푞3
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. фиг. 11
5. Литература • Последната стъпка е да се направи симулация на мо- 1. Modelling and index analysis of a Delta-type mechanism. Hsu, дела с бутона Run Simulation и да се изведат диагра- K-S, et al., et al. s.l. : Proc. Instn Mech. Engrs Vol. 218, 2004. мите на двигателните моменти, (фиг. 12). 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.
фиг. 12
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 [email protected] 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 Оторизация осигурява на потребителите достъп до специфичните ресурси на информационната система. В настоящата статия се обсъждат някои от методите за Например, процесът на оторизация в дадена операционна идентификация и достъп на потребителите в защитени система може да предостави на потребителя достъп до информационни системи, изпозващи биометричните параметри определени приложения, файлове, системни променливи и др. на ръчните им динамичните подписи. Анализирани са Подсистемата за оторизиране е ключов елемент в недостатъците на методите за проверка на динамични подписи информационните системи с достъп, базиран на роли (role- и са направени препоръки за подобрения в системи за based access). Тя осигурява възможността за достъп до разпознаване на подписи. Предложен е алгоритъм за собствените ресурси на законните им притежатели представяне на динамичните подписи (по-специално на серия (потребители) и забранява на нарушители да ги достъпват. от стандартни динамични подписи) под формата на вектор от За разлика от стандартните системи при биометричните циклично, ритмично-свързани случайни процеси. системи за идентификация има два етапа на комуникация с тях Биометричните системи са по-сигурни от стандартните, защото - регистрация и автентикация. биометричните характеристики на даден потребител са На първият етап се измерват и дигитализират неразделна част от него и следователно не могат да бъдат биометричните характеристики на потребителя. След това тези забравени, изгубени или откраднати. Разглежданите данни, както и името на потребителя (login name) се запазват в биометрични системи могат да бъдат използвани за базата данни. предоставяне на достъп до специални индустриални зони или На етапа на автентикацията потребителят въвежда името си съоръжения или до информационни системи със специален и биометричните си данни, след което системата извършва достъп. Те могат да се използват самостоятелно или в своите измервания и ги сравнява според някои критерии с комбинация със стандартните. наличните данни, получени по време на регистрацията. Ако При взаимодействието с информационните системи с въведените данни съответстват на тези в базата данни - различни нива на достъп до ресурсите им различаваме регистрацията е успешна и потребителят се допуска до следните етапи на комуникация - регистрация, идентификация ресурсите на системата. В противен случай му се отказва и оторизация. достъп до системата. Биометричната автентикация се дели на Регистрацията е свързана със създаването на нов запис в статична, която се основава на статичните характеристики базата данни от потребители на системата. Този запис включва (пръстови отпечатъци, профил на ръката, форма на лицето, уникалното потребителско име, паролата и набор от ирис на окото и др.) и динамична, която отчита динамичните допълнителни характеристики на потребителя. След характеристики на потребителя (глас, пресъздаване на фрази, регистрация е възможен достъпът до система, но след динамичен ръчен подпис, стил на писане на клавиатура и др.). идентификация (автентикация). Известни са много методи за персонална идентификация Например, достъпът в повечето модерни операционни чрез документи, като паспорти, идентификационни номера, системи се реализира на базата на потребителско име и парола, шофьорски книжки, сертификати, кодове за достъп и др. Те като е недопустимо съществуването на потребители с еднакви имат редица недостатъци, свързани с проверката им на имена в базата данни. достоверност и с това потребителите да помнят и Идентификацията (Автентикацията) е потвърждение на възпроизвеждат съответните кодови комбинации. Възможно е истинността на потребителя (човека) на основата на уникална въпросните документи да бъдат загубени, повредени или информация (парола, пръстов отпечатък, глас и т.н.), като в откраднати, което да създаде проблеми при идентификацията най-простия случай това става чрез използване на на потребителя. За разлика от тях биометричните особености потребителското име и паролата. В резултат на успешно на човека са негова интегрална част и не могат да бъдат идентифициране автентикационната система може да допусне повредени, загубени или откраднати. потребителя или някой друг (хакер), представящ за Биометричните системи за контрол на достъпа използват регистриран потребител до ресурсите на информационната хардуер и софтуер за анализ на динамичните характеристики система на потребителя, удостоверяващи динамиката на подписа му,
19 стилът му на писане на клавиатурата или на работата му с подписи) и да отнесе фалшифицирания подпис към друга компютърна мишка и т.н. [1]. Повечето от динамичните (серия от подправени подписи). биометрични методи са достатъчно евтини за изпълнение [2], и Етапът по предварителната обработка включва подетапи за не изискват специално оборудване, което ги прави премахване на различията в мащаба, изместването, ротацията и предпочитани за удостоверяване самоличността на продължителността на подписа. потребителите. На етапа на предварителна обработка на данните на Обикновено, такива системи използват стандартен хардуер натрупаното множество от оригинални подписи на потребителя и цената им се определя главно от разходите за софтуер. се съпоставя една крива, а на подправените подписи (подправени от различни хора) се съпоставят други различни 2. Анализ на методите за разпознаване на криви. динамични подписи След това се извличат ефективните атрибути за всяка крива. На етапа на екстракция на тези атрибути се изпозват Методите се делят на: честотните коефициенти на Mel (Mel-frequency cepstral - методите за математически анализ, отчитащи, пътя на coefficients (MFCC)). MFCC е един от на разпространените писалката, налягането, скоростта, ориентацията на писалката и методи за извичане на атрибути, използван при обработката на нейният наклон, като функции на времето; говор (реч). - геометрични методи (техники) за разпознаване на образи, Методът MFCC се е доказал като много ефективен при които използват различни метрики за близост между извличане на съставляващите честотите на речта. Подобни биометричния V и стандартния VC вектори (Евклидово честоти могат да бъдат извлечени от подписите. На тази база разстояние, разстояние на Хеминг, на Минковски, Манхатън и методът MFCC се прилага успешно и в процеса на проверката т.н.) [3]; на подписи, което е установено и от редица експериментални - изкуствени невронни мрежи (artificial neural set /ANS/). резултати. Методите, основани на използването на обучени невронни Извлечените по метода MFCC характеристики (атрибути) мрежи, имат потенциално по-голяма точност, но са им на подписа, впоследствие, се нормализират и след това се присъщите проблемите, свързани с възможността за използват за обучаващ класификатор. За всеки подписващ се, неопределено дълъг процес на обучение, блокирането и се обучават два отделни класификатора, които се използват в състоянието на "парализа". Те имат и проблеми с комбинация с основния компонентен анализ (Principal биометричната природа на разпознаването на образи, Component Analysis /РСА/) и с многослойна перцептронна основният от които е обучението на всички възможни "чужди" невронна мрежа (Multilayer Perceptron Neural Network). потребители (невъзможността да се образува представителна Подробностите за всеки етап от предложения алгоритъм са група за всички възможни "чужди" обекти). описани в следващите подраздели Математическите методи, използвани в разпознаването на Опростената блокова схема на предлагания алгоритъм за динамични подписи имат следните недостатъци, сред които са: верификация на динамични подписи е дадена на Фиг. 1. Както 1. Математически модели не отчитат стохастичната се вижда от фигурата при процеса по натрупване на данни зависимост между серия от динамични подписи и не сигналите x(t) и y(t) се извичат от всеки подпис. 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 Фиг1. Обобщена диаграма на алгоритъма. Acquisition); 2. Предварителна обработка на данните ( Pre-Processing); 3.1 Изравняване на дължината на подписи-те чрез 3 MFCC алгоритъм. билинейна интерполация Повечето биометричнни системи за проверка на подписи Големината на събраните данни за подписите на класифицират подписите в два класа - истински и потребителите е различна. Тя е различна и за подписите на фалшифицирани (подправени) подписи. един конкретен потребител, като варира между 70 и 250 точки Някои от най-тежките етапи при разработката на системите (проби), които формират кривата на подписа. Вариациите на за проверка на подписи са тези, свързани с предварителното пробите в подписа оказва влияние и на процеса на натрупване и екстракцията на специфичните атрибути на верификация. За по-голямо удобство при верификацията и подписите. Експерименталните резултати показват, че сравнението на подписите е желателно да се използват еднакър подходящият дизайн на тези етапи позволява на алгоритъма да брой точки (проби). съпостави извлечените атрибути (характеристики) на истинския подпис към една дистрибуция (серия от верни
20 Експерименталното е доказано, че разбиването на всеки 1. Превръщане на неелектрическите величини подпис на 120 проби води до еднаквата му пространствената (координатите на върха на писалката, звуково налягане и др.) в дискретизация [6]. Имайки равен брой проби за два подписа на електрически сигнали; дадено лице, може да се направи по-добро, по-лесно и по- 2. Дигитализация на входните електрически сигнали; ефикасно сравнение, което води и до по-добра 3. Мащабирането им и тяхната нормализация; производителност на алгоритъма. 4. Адукция на сигналите към обща времева скала; Извличането на атрибутите на подписа е най-важната част 5. Изчисляване на вектора (матрицата) на контролираните на системата за автоматизирано верифициране. биометрични параметри като данни за ирис, DNA, форма на Процесът по разбиване (дискретизация) на подписите на лицето, геометрия на ръката, пръстови отпечатъци, ретина и проби (точки) е даден на Фиг. 2. 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.
истински подпис фалшив подпис
Фиг. 2. Примери на истински и подправени подписи и тяхната дискретизация.
4. Идентификация на биометричните характеристики на динамичните подписи Фиг. 4. Структира на системата за автентикация
Динамичните биометрични системи за идентификация на На Фиг. 5 е дадена функцията на подписа по координата Y потребителите [4] използват: по отношение на времето и нейната апроксимацията след 1 Саморъчен подпис; вълновата декомпозиция. 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. 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.
Фиг 3. Генерализирана диаграма на динамична Последните бяха сравнени с дискретната трансформация на биометрична с-ма Фурие. За анализ на разработения метод беше разработен софтуер, В биометричните динамични системи за автентикация се състоящ се от два модула - модул за обучение и модул за изпълняват следните обощени процедури: сравнение.
21 Проучването установи, че използването на биометрични 6. Литература характеристики, получени чрез вълнова трансформация позволява намаляване на грешката от първи ред при фиксирана 1. Luskiv A.M., Mathematical modeling and processing of грешка от втори ред. Различията в резултатите от dynamically inserted signatures for authentication tasks persons in изследваните вълнови декомпозиции не са големи и са в information systems, Dissertation, Ternopil, 2008. рамките на 2-3 процента. Недостатъците от използването им са 2. Asbari S., Corporate solutions based on Linux, Peterburg, 2002, свързани с изчислителната сложност на алгоритмите. В същото 496 pages. време широко се използва трансформацията на Фурие поради наличието на бърз алгоритъм за изчисляване (бърза 3. Potashnik D.P., Technical and forensic examination of трансформация на Фурие-FFT). documents and its role in the legal evidence, Moskov, LeksEst., 2004,144 pages. 5. Заключения 4. Ivanov A.I., Biometric identification on the dynamics of Разработена е структура на система за автентикация, unconscious movements, Monograph.– Penza, Publisher Penza базирана на динамичните биометрични показатели на State University, 2000. потребителите. Системата използва алгоритми за вълнова 5. Romanuk Yu. A., Fundamentals of Digital Signal Processing, декомпозиция на координатите на подписа на потребителя. Moscov, Moscow Physical-Technical Institute, 2005. Предстои системата да бъде разширена с възможност за отчитане на натиска на върха на писалката върху таблета, 6. A. Kholmatov, B. Yanikoglu, Identity authentication using както и наклона на перото, за което, обаче, са необходими и improved online signature verification method, Pattern Recogn. таблети със съответните характеристики. 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 При разработката на подхода се тръгва от тезата, че проблемите, свързани с липсата на оперативна съвместимост Постигането на оперативна съвместимост на предприятията могат да бъдат решени с използване на методи и средства от е доста сложна и амбициозна задача и въпреки сериозния различни технологични пространства. Характерно за тези напредък в областта на информационните и комуникационни технологични пространства е, че те могат да решават едни и технологии, софтуерното инженерство и стандартизацията в същи задачи с различен успех. Анализът и оценяването на тази област все още постигнатите резултати са характеристиките и свойствата на всяко от изброените по-горе незадоволителни. Идеята за моделно управлявана оперативна технологични пространства е от изключително значение за съвместимост (MDI), отчита необходимостта от използване на тяхното успешно включване в решаване на проблемите на онтологии и семантични анотации, но в крайна сметка тази оперативната съвместимост. Между отделните технологични концепция е развита и приложена най-вече на ниво данни и пространства съществуват еднопосочни и двупосочни връзки, използването на UML за представяне на онтологии, което които също са разнообразни и притежават определени ограничава подхода само до по-елементарни онтологии. свойства. По този начин могат да се създадат различни методи, Възможностите за логически изводи и разсъждения са твърде чрез които се извършват с лекота операции и действия в едно ограничени. технологично пространство, а след това получените резултати Цел на доклада е да представи онтологично управляван биват импортвани в други такива, с оглед на тяхното по- подход за оперативна съвместимост на предприятията, нататъшна и по-ефективна обработка и използване. 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 Фиг.1: Подход за онтологична оперативна съвместимост в пространство е работен контекст с набор от свързани понятия и предприятията утвърдени средства за моделиране [1]. Използваните в рамките Разработеният подход удовлетворява поредица изисквания, на подхода технологични пространства са (фиг.1): покриващи следните важни аспекти на оперативната • Технологично пространство на метамоделите, съвместимост: представлявано от MDA на OMG, накратко ТП на „MDA” • Гарантира свързване и/или сливане на коренно различни (Model Driven Architecture); схеми на данни и данни, както и едновременното търсене на • Технологично пространство на онтологичното инженерство, информация в различни източници (информационни системи). представлявано от онтологичните езици OWL, RDF, накратко Това се постига с използването на семантични модели, в ТП на „RDF” (Resource Description Framework); основата на които е глобалната, единна схема за именуване - • Технологично пространство на СУБД, наричано накратко Uniform Resource Identifiers (URIs), най-значимото ТП на „RDB“ (Relational Database); подмножество, на която са Uniform Resource Locators (URLs) на • Технологично пространство на XML, наричано накратко ТП HTTP и използването на RDF/OWL модели. URIs на „XML“ (Extensible Markup Language); идентифицират еднозначно ресурсите и представят явно • Технологично пространство на езиците за програмиране, смисъла на данните чрез свързването им в множества от наричано накратко ТП на „EBN“ (Backus-Naur Form). домейн понятия.
23 • Не налага замяна на използваните технологии и Важен фактор за постигане на изброените по-горе аспекти на приложения, а предлага само тяхното надграждане. Осигурено оперативна съвместимост, освен използваната концептуална е съвместното приложение на утвърдените вече технологии за рамка, е и съвкупността от методи, които поддържат управление на данни и знания, за моделиране на приложения и съответните технологични пространства и тези, които вземане на решение, използвани на различни нива в рамките на реализират връзките между тях. Част от тях са предмет на предприятията. систематизация и анализ в следващия раздел на доклада. • Осигурява възможности за достъп, обмен и извличане на информация и от неструктурирани данни, съхранявани в 3. Методи за постигане на оперативна хетерогенни и разпределени източници. съвместимост • Осигурява възможност за създаване на семантични хранилища, които комуникират с източниците на данни, като за Постигането на оперативна съвместимост чрез използване разлика от по-широко използваните в момента складове за на семантични технологии може да се представи като данни не допускат дублиране на данни и загуба на метаданни. последователност от три основни процеса: конвертиране на • Подходът се базира на споделеното разбиране за конкретни данните от хетерогенни източници (релационни бази данни, области във вид на формален и машинно обработваем модел на XML, таблици, документи), обработка на интегрирания модел областта. Това е свързано със създаването на лексиката на (обединяване, редактиране, логически анализ) и извличане на конкретна област и формално дефиниране смисъла на информация (конвертиране, визуализация). По време на трите термините, на базата на логика чрез: етапа се използват различни методи, които позволяват да се − Лексика, използвана за описание на конкретен изглед на контролират данните, които се интегрират, да се сортират конкретна област; данните, да се отхвърлят повторенията, да се извлича − Явна спецификация на смисъла на термините в лексиката информация, да се осъществява логически анализ и (чрез класификации и релации); верификация. Систематизация на разработените и прилагани − Дефиниране на ограничения, улавящи допълнителни методи е представена на фиг.2. 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 Фиг.2: Систематизация на методите на [2, 3, 4]. • Предоставя удобен, гъвкав, устойчив и „богат“ по Методите за конвертиране изграждат мостовете между отношение на възможностите за изразяване модел на дaнните, отделните технологични пространства. Така например който е многократно използваем и приспособим при изменения съществуват различни методи и софтуерни средства за на изискванията конвертиране на релационни бази данни, електронни таблици, • Позволява разделяне на оперативните знания от знанията в XML файлове, UML файлове, различни онлайн ресурси и др. в конкретна области. Това дава възможност на потребителите да RDF/OWL формат. На фиг.3а и фиг.3б са представени споделят и използват многократно едни и същи набори от илюстрации на двете групи методи, които се прилагат успешно данни в различни приложения и платформи, като това се – трансформация и динамично съответствие. Трансформацията постига чрез два основни принципа на проектиране: отделянето се базира на използване на концепцията, методите и на моделите на знания от приложенията и интегрирането на средствата, залегнали в ТП на „MDA” и използване на модели на знания чрез многократно използване на модули и метамодели на различните ТП, както и формулиране на възможности за разширение на създадените модули. правила за трансформация на мета ниво, както е показано на Разделянето на моделите от приложенията е важно условие за фиг.3б. При методите на динамичното съответствие пък се осигуряване на възможности за споделяне на данни и използват специални езици за определяне на съответствията многократно използване на данните в различни приложения и между модел (база данни) и RDF Graph (фиг.3а-(3)). За целите среди. При това разделяне, бизнес логиката „излиза“ от на задачата за динамично съответствие между релационна база приложенията и „влиза“ в моделите на знания чрез онтологии и данни и онтология е използван езика R2RML, като данните правила. могат да бъдат оставени в източника и извличани при • Гарантира модулност и многократна използваемост, поискване или преместени във временни RDF хранилища. стандартизация, както и възможности за разширяване и Методът може да се приложи към данни от измервания в модификация. реално време, към данни от производството, външни и • Приложим е на всички етапи от разработката на собствени бази данни. Тези два метода се прилагат доста информационни и управляващи системи. Започвайки от успешно и при двупосочно конвертиране на модели между ТП онтологичен модел на областта, различни видове онтологии на на „MDA” и ТП на „RDF”. На фиг.4а е илюстриран метод за процеси, задачи, интерфейси, за дефиниране на интелигентни динамично съответствие на UML модели в OWL онтологии, агенти, които използват онтологията за да комуникират който е използван при създаването на референтна мета помежду си в разпределени хетерогенни среди, и се стигне до онтология на предприятията. процеса на управление на качеството и задачите за Методите за създаване и редактиране на обобщени модели диагностика. се състоят от методи за интеграция, федерация и обработка.
24 Интеграцията може да се осъществи по различни начини, Методите за обработка на обобщени модели се прилагат преминавайки през различни етапи с използване на различни както върху интегрирани, така и федерирани модели и целят да езици, технологии и механизми. Онтологично базираната се справят с терминологичните различия, повторенията на интеграция обхваща процеси, подобни на ЕТL данните и създаването на правила за съответствие между трансформациите: (E)xtracte от източник на данни, (T)ransforme различните източници в обобщения модел. 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, Фиг.5: Илюстрация на метод за федерация подравняване, интегриране. Като целева онтология може да се използва референтна онтология. При промяна в данните, Методите за извличане на информация включват методи за трансформацията се повтаря. На фиг.4б е илюстриран метод на класификация, методи за създаване на хранилища и онтологична интеграция, представящ интеграцията на комбинирани методи, които представляват автоматизирани резултати, получени в ТП на „BNF“, които посредством Data вериги от методи за извод и вземане на решение. В основата на Base Toolbox се съхраняват в ТП на „RDB” като база данни (2) тези методи са справки за извличане на информация от и заедно с база данни (1) могат да бъдат интегрирани в интегрирани модели – директно чрез SPARQL или уеб услуги, онтология (5), която да бъде обединявана, съпоставяна, а също и чрез трансформация на SPARQL в SQL към подравнявана и интегрирана с (3) в интегрираната онтология релационни данни. По-важни технологии, изградени на (6). 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 а) б) конкретен алгоритъм за интеграция на данни може да се запише като SPARQLMotion скрипт за многократно Фиг.3: Илюстрация на методите „динамично съответствие“ изпълнение. По-долу е представен пример, онагледяващ и „трансформация“ между различни ТП използването на комбинирания автоматичен метод. Други В основата на онтологично базираната федерация на данни практически примери илюстриращи представените по-горе е SPARQL [5], който е протокол и език за заявки върху данни, методи могат да се видят в [9-12]. записани или представени в RDF формат. Чрез езика SPARQL 4. Приложение на комбиниран метод за могат да изпълняват заявки за търсене в различни източници на данни, да се конструират модели, да се задават структури и извличане на информация правила. Възможностите за онтологично базирана федерация Идеята за онтологично базирана интеграция може да се значително нарастват с появата SPARQL 1.1. [6] като език за представи като последователност от три основни етапа: импорт създаване на правила. Чрез клаузите за обединяване и (от релационни бази данни, от XML, от таблици и документи), редактиране на графи GRAPH и SERVICE, SPARQL 1.1 обработка на интегрирания модел (трансформиране, осигурява възможности за запитвания върху различни редактиране) и експорт (конвертиране, визуализация). По източници, еднократно чрез заявки към източници, намиращи време на трите етапа се използват семантични технологии и се в хранилище на данни, или чрез SPARQL крайни точки средства за логически анализ (reasoning), които позволяват да (SPARQL endpoints). Всеки източник представлява именуван се контролират данните, които се интегрират, да се отхвърлят граф чрез базов URI: релационни бази данни, таблици или RDF повторенията, да се сортират данните. Тъй като данните и онтологии се третират еднакво като графи. По този начин, схемите на данните се съхраняват по един и същи начин, е външни източници на данни се запитват чрез клаузата възможно динамично по един и същи начин да се обработват и SERVICE. Едновременното използване на SERVICE и GRAPH данните, и схемите на данните. е възможно в рамките на една заявка. Този метод е илюстриран на фиг.5. 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 a) б) клас nwind:Employes от релационната база данни се съпоставят на свойства, дефинирани в isa:Person и isa:PersonProperty. Част Фиг.4: а) Илюстрация на метода “UML2OWL” и б) метод за от свойствата на клас nwind:Employees стават свойства на клас интеграция isa:Person, а други – на клас isa:PersonProperty. Записите от базата данни изцяло се трансформират като индивиди в онтологията.
25
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 Фиг.5: Онтологична обработка на интегрирания модел чрез услуги, e достижимо предизвикателство на базата на технологията SPINMap предложения онтологично управляван подход. Използвайки За автоматизиране на последователността от процеси при онтологии и базирани на тях системи бази данни и системи онтологично базираната интеграция, обработка и извличане на бази знания, могат да се извличат знания, да се систематизират данни чрез технологията SPARQLMotion е създаден примерен и многократно използват тези знания, когато и където е нужно, темплейт за многократно използване. Използвани са модули от като по този начин се съкращава времето за разработка и три типа: ImportModules (sml:ImportFromLocalModules), цената на информационните и управляващи системи. ProcessingModules (sml:CreateSpreadsheet) и ExportModuls 6. Литература (sml:ExpotrYoTextFile). Чрез създадения скриптов файл се осъществява обединяване на три онтологии, извлича се 1. Kurtev I., Bézivin J., Aksit M. (2002), Technological Spaces: an информация, резултатите от която се преобразуват и записват в initial appraisal, CoopIS, DOA'2002 Federated Conferences, текстов файл. Както е показано на фиг.6 в интеграцията се Industrial track, Irvine. включват: домейн онтология на оборудването в завод за 2. GERAM (1999), Generalized Enterprise Reference Architecture горещо валцуване (isa1014Equipment), мета онтология and Methodology, Version 1.6.3, IFAC-IFIP Task Force on (isaontology), и домейн онтология на производството в завод за Enterprise Integration. горещо валцуване (DomOnto). Модулът за извличане на информация Extract извлича данни (индивиди) чрез следната 3. Microsoft (2013), Vision for an Upstream Reference SPARQL заявка: Architecture, White Paper, www.microsoft.com/mura. 4. ANSI/ISA–S95.00.01–2000, Enterprise - Control System SELECT DISTINCT ?ProductionSchedule ?Order Integration, Part 1: Models and Terminology”, American ?EquipmentSpecProdDef ?EqSegmentProcessSegment ?Segment WHERE {?ProductionSchedule National Standard, ISBN: 1-55617-727-5, 2000. sa:isMadeUpOfProductionRequests ?Order . 5. Prud’hommeaux E., Seaborne, A. (2008), SPARQL Query ?EquipmentSpecProdDef isa:hasEquipmentSpecificationEquipment ?n . Language for RDF - W3C Recommendation 15 January, ?EqSegmentProcessSegment http://www.w3.org/TR/rdf-sparql-query/ isa:hasEquipmentSegmentSpecificationEquipment ?Segment.} 6. Harris S., Seaborn A. (2013), SPARQL 1.1 Query Language, W3C Recommendation, 21 March, След изпълнение на модул sml:ExpotrYoTextFile, в текстов http://www.w3.org/TR/sparql11-query. файл се записва информация за изпълнение на планов график 7. Knublauch H., Hendler J., Idehen K. (2011), SPIN - Overview ProductionSchedule_123, в който са включени три and Motivation, W3C Member Submission 22 February. производствени заявки (ProductionRequest_1, ProductionRequest_2, ProductionRequest_3), като за изпълнение 8. Knublauch H. (2010), SPARQLMotion, Version 2.1.0, на графика в процесния сегмент, касаещ оборудването February 01, sparqlmotion.org. (EquipmentSegmentSpecification_1) e конкретизиран агрегат от 9. Gocheva D., I. Batchkova (2011), Ontology Based Approach модела на оборудването (Методична_пещ_1). 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. Фиг.6: SPARQLMotion script за автоматизиране на 12. Д. Гочева, И. Бачкова (2014), Онтологично управляван онтологично базирана интеграция на данни подход за оперативна съвместимост в предприятията, Резултатите се записват в текстов файл от вида, представен на Материали от 22-ри международен симпозиум “Управление фиг.7. на топлоенергийни обекти и системи”, 8-9 май, г. Банкя, стр.35-38.
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 [email protected] 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 In case the recipient changes its address (fig 1) the postman manually delivers the letter to old address and then after finding out Nowadays because of mobility many people are changing their that the addressee is not available there he delivers the letter to the location or jobs. The delivery of letters or parcels to their new redirection unit where new address is provided by the COA Form addresses becomes of great importance and saves time and money Service (CFS) and the letter is redirected to the new or the same to the postal services. P&DC. Then the same sorting procedure is applied again. In order In USA more than 40 millions letters are redirected each day. to find new address in CFS site the recipient who changed its During the process of sorting the letters (mailpieces) are delivered address must to provide to USPS services the COA form with its to one of the nearest Processing Distribution Centers (P&DC), old and new address (Fig. 2). 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 Fig. 2 Change Of Address (COA) forms addresses (Address Directory) is sent and as result the sorting information is provided; In order to improve letters sorting in PARS system first the • On the base of this information the letter is directed to the address found by OCR is checked both in current address directory special box (shoot) of the sorting machine. The box collects and in CFS directory (Fig 3). If new address is reported by CFS it is the letters to specific street or area of the town/village; printed in P&DC and stamped to the letter. Then the letter is automatically directed to the new address. • From this box the letters are delivered by the carrier (postman) It can be seen that new approach saves lots of efforts, energy to the recipients. and time.
Fig 3 Delivery of letter to the new address with PARS
Fig 1 Delivery of letter to the new address without PARS
27 In case the customer did not provide its new address the mail is . Providing capability to install, update backup and restore the returned to the sender. system software or firmware . Letters (mailpiece) diagnostics 1.2. Providing the COA information . COA forms diagnostics . VDT diagnostics (related to manually coded COA forms using The customer who changes its address must provide new video terminals). address by: . Address Directory diagnostics. • sending a mail to USPS; . Number of saved (processed) letters/COA forms is up to • filling manually the COA form (at post office); 300000 per day and must be collected for one month period. • filling the same form to the WEB site of USPS. 3. Architecture of the System In paragraphs above the automatic recognitions of the addresses in P&DC sites was discussed. In some cases of handwritten address As a result of the analysis of the requirements and taking into the OCR algorithm could not find the whole address of the letter. In account similar solutions in postal automation systems [1,2,3] the this case to solve the problem the image of the letter is sent to architecture (Fig. 4) of the WEB-based PDS server was developed. Remote Encoding Center (REC) where the address is resolved by The server is executed within the Apache Tomcat Server container. human help. There on video-terminal the address is completed by It is a servlet container [4] that is used in the official Reference the operator. As soon the address is completed it is returned from Implementation [5] for the Java Servlet and Java Server Pages REC to P&DC and the letter is sorted. technologies, as well Ajax and Struts Technologies. The components forming the the systems are: 1.3.The main HW and SW systems involved to letters . PDS Web UI including UI Framework – base of the IMS processing Diagnostics UI, Statistics UI, RTE UI, OS/HW and HDD The main hardware system are sorting machines equipped with Diagnostics UI and Backup/Restore UI . cameras ad barcode readers. Next are transportation subsystems. PDS Server including: The sorting machine has specific software for on-line OCR of the o IMS Monitoring and Diagnostics component sender and the receiver addresses and post stamps types and their o Statistics component price. o OS/HW and HDD Diagnostics component The main OCR related subsystems are: o Backup/Restore component - RIC - redirection image controller – subsystem managing o RTE server processing real-time events images from the cameras by the following components: o Message layer component Mailpieces and COA forms Diagnostics component o IH/ - image handler which is converting the images from o the cameras to the image file formats used by the readers o Directory Diagnostics component They are described in the next sub-sections. o IC - image controller, controller managing the IH SC system controller The PDS communicates to the external IMS subsystems via o messages sent/received over TCP/IP sockets. On each external o CDB - data bases for statistical and other data - AFR – address forwarding reader – subsystem for OCR system (PC) the PDS client DLL or PDS service is running. They address recognition (AFR-I) and for post stamps recognition are providing API from the specific system and PDS. (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 Fig. 4 PDS Architecture The following functional requirements derive from the general P&NC, REC and PDS system requirements [1,2,4] and can be Users are connected over secure HTTP to the PDS server using summarized as: Internet Explorer browser. . Authentication of logging of up to 60 users. . Monitoring permanently of the IMS hardware and software 3.1. WEB UI component components and providing real-time maintenance diagnostics This component is responsible for preparing all jsp (java server for the verification of the operational status of the whole IMS. pages) provided to the user. It deals also with the actions that can be . Providing the possibility to start/stop the IMS and each of its triggered by the user (clicking different buttons in Browser). It subsystems and components. provides servlets manipulations and tables’ decorations. It takes . Monitoring of the connections between current P&DC and info about the status, statistics, diagnostics and other data from other P&DC (named REC, NTSC , etc) other PDS components which are provided to the user. The . Providing IMS statistics (for mails site performance, AFR , component is sending periodically auto refresh messages in order to CFR, Benchmark, etc.) keep the status data presented on the user browser up to date. . Monitoring the Network status . IMS diagnostics including network diagnostics and 3.2. IMS monitoring and diagnostics component performance . Computer diagnostics (HDD info and system logs) . Software diagnostics (shared memory and processes view)
28 This component ensures the monitoring, diagnostics and control Next page (Fig. 6) represents combined IMS system status of entire IMS and all its SW and HW systems and components. The view. With green bar graphs are presented the IMS subsystems that component has to provide: are in Ready state, with yellow the Not Ready subsystems and with • Reporting Logical Status Change of SW subsystems and red those in Malfunction state. Below the bar graphs tin the table components; the current number of those subsystems (IH, RIC, AFR, etc.) is • Reporting of Physical Status Change of IMS Computers; given. In the upper part the tabs of all available IMS statistics ate • Monitoring of the IMS Status and reporting Overload of given. By selecting tabs the needed statistics can be seen. By the use certain Subsystem; of the buttons the entire IMS can be Restarted or Shutdown. • 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 Fig.5 PDS WEB UI Menu Items some case information about this message has to be sent by mail to the IMS operators, technicians or managers. These activities are Below the bar graphs tin the table the current number of those done by the RTE server component. It is responsible also for: subsystems (IH, RIC, AFR, etc.) is given. In the upper part the tabs • Presenting of All RTEs of all available IMS statistics ate given. By selecting tabs the • Presenting of RTE Detailed info for one selected RTE needed statistics can be seen. By the use of the buttons the entire • Adding or Modifying RTE Filter IMS can be Restarted or Shutdown. • 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 Fig. 6Monitoring the IMS System Status Windows API for getting OS, BIOS and hard disk data, instead of the client API (see Fig. 4). The Status of the all IMS computers is given on Fig. 7. From Backup and Restore component is using COOL command this web page the user is able to access the status of SW scripts which are activated by the PDS service (service.exe on Fig subsystems/components (Fig. 8) running on the selected computer. 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 Fig. 7 Computers Status Page 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 Fig. 8 Subsystems Status Page Diagnostics, Run Time Events, Backup and Restore and Administration). On the page below (Fig. 9) the diagnostics page – Hard disk info can be seen, available via Diagnostics/Hardware/HDD.
29 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 Fig. 9 Hardware- Hard Disk Info Page part of the system and was involved in PDS requirements analysis, SW architecture development, coding and testing of SW Next two pages (Fig. 10 and 11) present the Mailpiece components. diagnostics screen of WEB UI and search criteria related to Implemented PDS system provides abilities for on-line remote different letter's attributes, as well the one of the results of the control, monitoring and diagnostics of IMS systems working in all search. The attributes of the letters or the COA forms are too many P&DC and REC sorting centers of USPS. PDS ensures detailed and their explanation exceeds the volume of current paper. For information and statistics to users of different levels – operators, example when the OCR algorithm tries to find the recipient address technicians or managers that can be used for taking operative and or the sender address different approaches (using barcode, ZIP strategic decisions, in the field of postal automation. codes (3, 5, 11 digits) including city, state codes, recipient name Abilities for mailpiece and COA diagnostics can be used for abbreviations) are applied. So the diagnostics of mailpieces can further software improvement of the OCR readers (AFR and CFR) include variations of these or others attributes, as well the attributes Developed PDS Web Based architecture was already modified that are related to the ID of sorting machine, time of sorting, type of and applied successfully in the area of Automatic Number Plate the mail (first class, ordinary, military mail, etc). 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 Fig. 10 Mailpiece Diagnostic search screen 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/publication s_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 [email protected] 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 2. Methodology of MCDM Design The Designing of hybrid lightweight structures are becoming The decision-making process can be divided into the following increasingly more interesting in research and industry. New hybrid 5 steps as depicted in Fig. 1: 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 Fig. 1 General procedure of the multi-criteria decision analysis. mechanical strength and functional density [1] and can lead to re- The first step includes discussion of the current state, formulat- duced operational costs. For example in the automobile sector the ing the problem to solve and listing comparable process chains or use of lightweight structures can lead to energy savings through single processes, examining available information (this raises issues weight reduction [2] and in return leads to less fuel consumption. about the extent of parameters, which can be measured, approxi- Currently developments of those hybrid structures are limited to mated or are available) and describing the objective that raising the niche applications and require the need for innovative process question: What are the constraints and which goals have to be chains, technologies, tools, and the use of hybrid materials. reached for choosing the best process chain? For accomplishing the goal for the construction of hybrid struc- The next steps of this procedure model will be illustrated in the tures, new machines and tools are used, whereby basic technologies following sections. are “merged” together to realize new innovative merged process 2.1 Model chains. By using those merged process chains in existing manufac- turing facilities, the complexity of the whole manufacturing process The decision matrix describes the performance of the alterna- can be reduced as well as it allows a resource and economic effi- tives (as rows) with respect to selected criteria (as columns) and is th cient production and development. But the complexity in the plan- defined as set = { , 푀, }, where , = 1, … , , denotes the ning phase of those new composite constructions leads to long de- process chain, = ( ), = 1, … , , the attribute matrix, where 푖 velopment times, high financially expenditure and detailed expert 푀 퐀 퐂 퐖 퐴 푖 푛 ( = 1, … , 푖 ) every column formally푖푗 represents a criterion, and knowledge. the corresponding퐂 weights:푐 푗 푚 푗 In manufacturing chains with a wide variety of materials, ma- 푤 푗 푚 chines, tools and production levels, evaluation and comparison of 11 1푗 1푚 various alternative process chains only consider cost aspects [3] or = 푐 ⋯ 푐 ⋯ 푐 , (1) ⎡ ⎤ with allow only insight to the energy consumption of processes [4]. ⋮ ⋱ ⋮ ⋱ ⋮ ⎢푐푖1 ⋯ 푐푖푗 ⋯ 푐푖푚 ⎥ ∙푗 푗 Rarely an overall evaluation of the ecological and economic factors 퐂 ⎢ ⎥ 푐 ↦ 푤 ⎢ ⋮ ⋱ ⋮ ⋱ ⋮ ⎥ is conducted. 푛1 푛푗 푛푚 ⎣푐 ⋯ 푐 ⋯ 푐 ⎦ Choosing from multiple alternatives e.g. the best technology, The attributes represent the model values against which the al- tool and material is a difficult task for decision-makers, manufactur- ternatives will be evaluated (cf. [5, p. 52]) and are partitioned in two ing supervisors or production managers. Furthermore constraints levels with = 3 upper level criteria, representing the three indica- like low energy consumption and resource efficiency are a basis for tors ( = 1, . . , ), which we will describe shortly, and overall discussion in the present time and have to be observed taking ac- = 12 lower푀 level criteria (see section 2.2). Let be the set of the count of a robust product. A multi-criteria decision-making lower퐼 level퐼 criteria푀 for the first indicator ( = 1), namely the eco- 퐼 (MCDM) support for economic and energy efficiency is essential 푚nomic objective then = {1,2,3,4}; the environmental퐿 objective and can help to drastically cut long development times and costs with = 2 is formulated as = {5,6,7,8,9}퐼 , and the performance 1 especially in the early phases of planning, especially when only a objective with = 3 is퐿 represented by = {10,11,12}. The model 2 small amount of series of tests are carried out and therefore mini- values퐼 for the alternative 퐿 can then be formulated as vector 3 mum data is available. = { , ,퐼 , , , , , , 퐿, , , } with the 푖 corresponding weights =퐴 { ,…, }. MCDM can be used to find the “best” alternative under all 퐴푖 푐푖1 푐푖2 푐푖3 푐푖4 푐푖5 푐푖6 푐푖7 푐푖8 푐푖9 푐푖10 푐푖11 푐푖12 available options at the same time considering many, often conflict- 2.2 Model Values 푤푗 푤1 푤12 ing criteria and making assumption to different constraints. This paper illustrates a simple but effective approach to multi-attribute The model values are based on three different multidimensional decision-making of automated process chains for planning and de- key performance indicators (KPIs) as already mentioned above, velopment in the early phases of production. 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 = 1 has four lower level crite- ria, = 2 has five sub-criteria, and three other lower level criteria belonging to upper level criterion 퐼 = 3. As mentioned before the 퐼 Fig. 2 Illustration of the calculation for the three KPIs. Every sub-attribute attributes are evaluated against the alternatives, so that they are also is computed separately for every process before they get merged called criteria, because of the one-to퐼 -one correspondence, concern- (accumulated) together to represent the sub-attributes which build up the ing the evaluation of an alternative. Table 1 shows the KPIs with hierarchical structure to represent the specific KPI for the whole process their related sub-attributes, the unit of measurement, and the direc- chain. tion in which they should be optimized. At first, boundary conditions have to be made, because they are necessary for the calculation. They include the following factors: Table 1: The criteria represented by the three KPIs are displayed and sub- (i) number of work shifts, (ii) working hours per shift [h], divided into their related attributes which form the corresponding KPI. The unit of measurement is listed as well. The direction of the optimization for (iii) working days per year [d], (iv) pay rate for personnel [€/h], the decision-making is displayed in the last column for every attribute. (v) material costs [€/unit], and (vi) energy costs [€/kWh] Component is abbreviated with comp. The first indicator and its sub-attributes are calculated through KPI Sub-attribute Unit Direction Economic cost accounting like implemented in [3]. Important sub-attributes Production Overhead [€/Comp.] Min are production overhead, personnel costs and material costs, and Material Costs [€/Comp.] Min the sum of all as value process chain costs (Table 1). All these val- Personnel Costs [€/Comp.] Min ues have the unit [€/component]. This has the advantage that the Total Costs of Process [€/Comp.] Min costs can be taken into causal consideration [3], this means that eve- Chain ry cost attribute is calculated separately for every process in one Environmental process chain and are accumulated to form this KPI with its sub- Energy Costs [€/day] Min attributes (Fig. 2). The values can be approximated or can come Energy Costs [€/month] Min from accounting reports or other data sheets. Energy Costs [€/year] Min CO2 Emissions [CO2 of kg Min The second indicator represents information such as energy /year] costs and environmental issues like the percentage of use of renew- % of Renewable E. [%] Max able energy sources. The values can be actually measured or can Performance come from data sheets from machines or tools. In early stages of Production Volume [Comp./day] Max production planning only the energy consumption may be available [Comp./month] Max so that for every process the energy costs could be calculated and [Comp./year] Max then accumulated in the end for the whole process chain: Even though the KPIs are formed by different attributes with different unit of measurements the strength of MCDM is shown (4) = + + + + . here, because it can handle the hybrid nature of the unit of meas- Here formally represents1 the2 sub-3attribute energy푝 costs of the urements of various attributes. For example material costs is meas- 퐸 퐸 퐸 퐸 ⋯ 퐸 ured by euro per component, and production volume has the unit environmental objective (Table 1) for process1 of the process chain 퐸1 components per day. Also qualitative and quantitative attributes can (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 be mixed. 푖 for퐴 energy costs in all three unit of measurements Suppose we have two process chains, and , of length and (days/month/year). , respectively, where 푄 퐶 푛 The performance is measured through the third indicator. It is 푚 (2) = , , … , , subdivided into production volume and is covered in three units of measurements (Table 1). The production volume per day can come (3) 푄 = 푞1, 푞2, … , 푞푛 , from first test series or can be approximated if the cycle time for every process is available. The production volume per day, month and and represent푃 one푝 1process푝2 푝with푚 their related machine, tool or material. The decision model is designed with its KPIs to and year can also be calculated roughly with the global assump- 푖 푖 compare 푞different푝 kind of process chains, no matter of what length tions. For every process the sub-attributes are calculated separately they are or of which machines and tools they consist of. Each KPI is and accumulated in the end to get a value for the whole alternative. firstly calculated independently for every process in the chain be- 2.3 Prioritizing the KPIs by Weighting 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 Weighting is an important and essential issue in this process be- introduced into the model. Statistical values can be calculated (e.g. cause it reflects the preferences of a decision-maker and depends on averages, standard deviations etc). For example this was done to different factors [6, 7]. For example production managers tend to introduce the attribute “total costs of the process chain” from the rate technical and economic criterion and profitability higher than values personnel, material, and production overhead costs environmental issues like energy, fuel or gas consumption or the (Table 1). As next their calculation will be briefly discussed in this use of renewable energy sources, whereas operators of industrial section. 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 a weight is assigned independently from one alternative as described ear- ∙푗 lier in section 2.1. The weights are standardized to 0 at the푐 most un- 푤푗
32 important and to 1 at the most preferred. Assigning weights to at- other paper based on the current available information and the pro- tributes is a way to prioritize the criteria that are considered the gress of the production planning. most important for decision makers or stakeholders. Let the With Eq. (7) the final assessment is then conducted with the weight for the indicator than for every low level criterion a weight 퐼 maximum rule is assigned, so that they sum up to : 푊 퐼 (9) max ,…, ( , ), 푤푗 푊퐼 (5) = , with 0 1, M. 푖=1 푛 푖 푀 which states that the alternative process푈� 퐴 chain휃 with the high- The weights푗 ∈ 퐿of퐼 푗all indicators퐼 can add퐼 up to 3퐼 =(see1 퐼constraint in est utility value is chosen. It is important here to note that the alter- ∑ 푤 푊 ≤ 푊 ≤ ∑ 푊 ≤ 푖 Eq. (5)) and each KPI must have a value in the interval [0,1]. The native with the largest value will be selected as the 퐴“best” choice for low level criteria , are dependent of the weight from their the decision. That means that e.g. high production volumes will be parent indicator . The weights of each group of indicator add up favored as well as high production costs. If criteria like costs or en- ∙푗 퐼 to . The assignment푐 푗 of∈ the퐿 weights is independent from the alter- ergy consumption should be minimized it is necessary to mark those natives, however;퐼 they relate to the attributes in general and퐼 not to a values in the attribute matrix (see Eq. (1)) as negative ones (Table 퐼 specific푊 value. 1).1 퐂 2.4 Assessment 3 Discussion To ensure that the calculated criteria are comparable the attrib- To get insight of the effects of the model the following analyses [0,1] ute matrix is normalized between the interval with the min- were conducted and afterwards discussed. This helps the decision- max-normalization rule [8]. Even if MCDM methods are suited maker to understand how the model behaves in a changed environ- 퐂 dealing with large scales and the hybrid nature of attributes, works ment. For the example three random artificial alternatives are gen- like [9] showed that normalization of all attributes may change the erated with the following relationships: outcome and lead to a different assessment. If extreme values are present in the data set one attribute may get prioritized, but with a) ( ) ( > ) scaling the assessment is not shifted towards possible outliers. b) (퐶1 ≥ 퐶2 ) ∧ 퐶(2 퐶3 ) We use the value measurement approach to produce a prefer- c) ( 1 < 2) ( 2 2 3 ) ence order among all alternative (cf. [5, p. 85]). For that the utility 퐸 ≤ 퐸 ∧ 퐸 ≪ 퐸 (value) function ( ) is formulated and associated with an alterna- The expressions푃1 푃of2 the∧ cost푃3 ↔(C), energy푃2 (E) and performance (P) tive in such a way that an alternative is represented as a value. If among the alternatives can be interpreted as follows: a) The costs of is preferred over푈 ∙ then ( ) > U( ), if both alternatives 푖 are greater or equal than , but nearly the same, where has are indifferent then ( ) = U( ). To calculate the utility (퐴or the lowest costs for the production; b) Both and have much 푖+1 푖 푖+1 1 2 3 use value) of an alternative퐴 푈 ,퐴 weighted퐴 additive aggregation is lower퐴 energy consumption than퐴 , but consumes less 퐴energy 푖 푖+1 1 2 used that takes the level푈 퐴 hierarchy퐴 into account (cf. [5, 6, 9]): than ; c) has the lowest production volume퐴 and퐴 produces 푖 3 1 퐴 twice as much than . The relationships퐴 퐴 are intentionally simpli- 2 1 3 (6) ( ) = . fied for퐴 a easier퐴 understanding of the results of the model.퐴 2 푀 퐴 퐼 Where: 푈 퐴푖 ∑퐼=1 푊퐼 ∗ ∑푗 ∈ 퐿 푤푗 ∗ 푐푖푗 3.1 Uni-Criterion Analysis is the overall “score” (utility) for the alternative , is the weight for the upper level criterion (the th KPI), To begin the analysis of the model we ran a “uni-criterion” 푖 analysis to have an overview of the technical performance of each 푈 − is the normalized attribute for the alternative 퐴, 퐼 alternative for each criterion independently to measure the influence 푊 − is the weight corresponding to the attribute 퐼 in the 퐼attribute 푐푖푗 − 푗 퐴푖 of the weights. This was done using Eq. (7), by steadily increasing matrix , and the weight of the selected criterion ( = 1, . . , ) by 0.1 begin- 푤푗 − 푗 is the set of indices that represent all attributes for the indica- ning from 0 to 1 and settings the weights of all other KPIs to zero 퐶 퐼 tor . with ( ). That is done for all푊 three퐼 KPIs푀 separately to pri- 퐿퐼 − We propose the new function ( ) by using the basic utility oritize each indicator once. The results are presented in Fig. 3. 퐼 푊퐾 퐾 ≠ 퐼 function in Eq. (6) to turn the results in the positive direction, and extending the function with the parameter푈� ∙ :
( ) ( , ) = 2 s 1 휃 , with
(7) 푈 퐴푖 −1 ( ) = (1 + exp ( ) ) . 푈� 퐴푖 휃 ∗ � − 휃 � The function allows an optimal representation− 1of the results. The use values will푠 푥not be negative�− when푎 푥 −evaluating푏 � the perfor- mance of the alternatives: The higher the value the better the alter- native performs compared to the others. The factor represents the “strength of effect” or “uncertainty” of the result and is a positive value ( > 0). The new utility function in Eq. (7) has휃 the following Fig. 3 Representation of the variation of the outcomes if the importance of property the KPIs is changing. 휃 If only the economic objective is considered then is always the best option. But an outlier from can be seen that performed (8) lim ( , ) = 1 = = 1 3 , if . nearly as well as the results around the median from 퐴. That hap- 1 The parameter can be휃→ ∞varied 푖to well-mark the difference of the pened if low weights like 0.1 were used퐴 (that means no importance 푈� 퐴 휃 푎 푏 3 evaluated alternatives. The higher the value the smaller the gaps for that indicator). For the environmental objective one퐴 can say that between the results and the more difficult the decision will be. If and are the best options. Changing the weighting has no sig- becomes extremely large then all alternatives휃 will not be discrimi- nificant influence at the outcome for both (the variation in the data 1 2 nable, because the output will be one. The decision-maker can use휃 퐴is small).퐴 Only for a high variation in the data can be seen. The this knowledge if there is a high uncertainty in the future. The value 3 can be set smaller if more series of test are conducted and set higher 퐴 1 if only rough approximations are available or the values are expec- Alternatively it is possible to use the minimize function in Eq. (9) in- tations. An optimization of the parameter is a research base in an- stead so that only the attributes of the performance indicator has to be nega- tive.
33 outliers from were created due to using a low weight like 0.1 represent an economic, environmental and a performance objective. which means that the KPI should be considered unimportant— A modified additive weighting aggregation approach from the clas- 3 through that fact퐴 a suboptimal alternative can perform as well as sical value measurement theory was used in combination with addi- another in terms of a KPI if it is not considered important. If only tional factors that can be parameterized to change to outcome which the performance indicator is regarded then clearly is the best is not common yet in literature. option between the other alternatives. Because and have the 3 It can be updated if new information are available and can then worst production volumes (see expression c) 퐴above) the weighting 1 2 be compared to the previous assessments to evaluate the improve- has not much influence on both. As explained before퐴 the퐴 same ap- ment. Furthermore the global boundaries can be changed to create plies here: A low weight like 0.1 creates an outlier for , which “scenarios” like increasing production volume or energy prices. means that even the other two alternatives perform similar although 3 Maybe an alternative is favorable if the global boundaries are dif- has the highest production volume. 퐴 ferent. 3 The results from the “uni-criterion” analysis were averaged for 퐴 Further work is dedicated to the integration of more environ- every alternative and depicted in Fig. 4. 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 to the model, where reflects the uncertainty of the future assumed inde- pendently and normally distributed with ~ (0, )휖. 휖 2 휖 Fig. 4 Average results in each group for every alternative if different 5 Acknowledgements 휖 푁 휎 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. This work was performed within the Federal Cluster of Excel- It can be seen that the model correctly interprets the relation be- lence EXC 1075 “MERGE Technologies for Multifunctional tween the three alternatives. Disadvantages from alternatives can be Lightweight Structures” and supported by the German Research compensated through low weights and may also lead to false con- Foundation (DFG). Financial support is gratefully acknowledged. clusions. 6 References 3.2 Considering the Strength of Effect In next analysis a variation of the factor was introduced and 1. T. M. Pollock, "Weight Loss with Magnesium Alloys," analyzed, where a neutral weight distribution of one was used for Science, vol. 328, no. 5981, pp. 986-987, 2010. every KPI. Fig. 5 shows therefore a visual comparison휃 of various values. In this case is set to = {0.1, 0.5, 1, 4}. It can be seen that 2. Y. Zhang, P. Zhu and G. Chen, "Lightweight Design of the higher the value the greater the differences between the three Automotive Front Side Rail Based on Robust alternatives are. In 휃early stages휃 of production it is useful to set this Optimisation," Thin-Walled Structures, vol. 45, no. 7–8, factor greater or equal one. This can be used as a risk factor to avoid pp. 670-676, 2007. false decisions. In the case for = 0.1 the results of the three alter- natives are very wide apart (Fig. 5, left plot). The more precise data 3. "Energy-related and economic balancing and evaluation is available and the more progress휃 in the manufacturing planning is of technical systems – insights of the Cluster of made the lower this factor can be set to be more certain with the Excellence eniPROD," 2013. decision. For = 4 the outcomes are nearly the same (Fig. 5, right 4. N. Weinert, S. Chiotellis and G. Seliger, "Methodology plot). It is up to the authority to determine the best value and will be for planning and operating energy-efficient production discussed in further휃 research. 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. Fig. 5 Variation of the factor (“strength of effect”) to illustrate the influence on the decision. 7. J. Palma, A. Graves, P. Burgess, W. van der Werf and F. 𝜽𝜽 Herzog, "Integrating environmental and economic The evaluation of usefulness of an assessment depends on con- performance to assess modern silvoarable agroforestry text and requires critical judgment of production manager and deci- in Europe," Ecological Economics, vol. 63, no. 4, pp. sion-makers. The assessment can only evaluate the current state of 759-767, 2007. the environmental factors. Normally there is a high uncertainty in 8. K. Priddy and P. Keller, Artificial Neural Networks: An the future for factors like energy prices, new technologies, material Introduction, Society of Photo Optical, 2005. or infrastructure, laws etc. that may heavily change the outcome. 9. K. Steele, Y. Carmel, J. Cross and C. Wilcox, "Uses and 4 Conclusions misuses of multicriteria decision analysis (MCDA) in In this paper a prototype of a new decision-making model is environmental decision making," Risk analysis, vol. 29, proposed that can be used in the early stages of planning and pro- no. 1, pp. 26-33, 2009. duction for new manufacturing chains. For the assessment three base KPIs with a hierarchical attribute structure were determined to
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
Функциональные 1. Введение Исходные особенности; данные и Основание для местоположение; Осуществление экономически эффективной инвестиционной характерист анализа и расчетов условия использования политики в системе «Наука - Производство» требует ика проведения комплексного делового планирования. территории Прогноз Деловое планирование призвано объединить все этапы Современное состояние коммерческой осуществления предпринимательского проекта от идеи до Прогноз и тенденции деятельности рыночной реализации. Оно включает в себя: конъюнктур макроэкономических привлекаемых − выбор возможных путей реализации идей; ы рынка процессов в инвесторов - объектов − выявление наиболее реальной области внедрения и оценку инвестиционной сфере осуществимости проекта на основе технико- хозяйствования экономического обоснования; Влияние − разработку детализированного бизнес-плана на этапе положительных и НИОКР; Маркетинговая отрицательных − определение планируемой эффективности внедрения Стратегия ситуация, программа факторов спроса, (финансовые объемы производства, размеры прибыли, маркетинга осуществления покупательной сроки окупаемости инвестиций) стратегии способности, формирование ценовой политики 2. Результаты и дискуссия Блоки и этапы Блок-схема Организация программы; организация организации работ Критический анализ объекта планирования помогает работ и работы; установления (последовательность) определить технико-экономические показатели проекта, не финансирова форм собственности; и финансирование по упуская вопросы организации коммерческой реализации и ние виды и источники периодам реализации оценки рыночной перспективы. Такой подход позволяет финансирования проекта (программы) приступить к выработке плана конкретных действий, Единовременные и направленных на достижение поставленной цели, заранее текущие затраты, предвидеть возможные трудности, предотвратить их Объемы и структуры прогнозирование перерастание в серьезную проблему, а значит найти пути Определение затрат по видам, инфляции оптимальных организационно-экономических решений. затрат источникам и распределением по В рыночных условиях хозяйствования научно- направлениям источникам технический прогресс можно рассматривать как единую цепь: финансирования «Научные идеи и инновации – инновационно-инвестиционный бизнес – коммерческая реализация» [1]. Виды производства, Укрупненная блок-схема основных этапов бизнес-плана себестоимость, условия различных видов НТП, представлена в таблице 1. Определение ценообразования, Объем производства, доходов налогообложения, себестоимость работ Таблица 1. Укрупненная блок-схема основных этапов бизнес- получение валового и плана чистого дохода Баланс финансовых Наименован расходов и Состав раздела Цель ие раздела Формирован План и структура поступление с учетом ие потока управления, источники всех видов Объективная оценка чистых водоснабжения, необходимых налогов Результаты и вывод проектного Резюме средств электроэнергии и т.д. бизнес-плана предложения
35 Оценка На третьем этапе осуществляются экспериментальные Расчетные показатели и экономическ Экономическая, разработки. Источники финансирования те же, что и на втором их интерпретация: сроки ой, коммерческая, этапе, а так же собственные средства организаций. окупаемости затрат; коммерческо бюджетная, На четвертом этапе осуществляется процесс рентабельность й, социальная коммерциализации от запуска в производство и выхода на инвестиций, точка социальной эффективность рынок и далее по основным этапам жизненного цикла безубыточности проекта эффективнос инвестиций продукции [2]. и пр. ти Инновационные предложения. Механизм Страхование Типы риска, условия их предотвращения Содержание инновационного предложения должно быть коммерческо возникновения, риска, формы и направлено на обоснование выполнения поисковых научных го риска возможный ущерб условия страхования исследований, направленных на создание научного задела в области высоких технологий. Инновационное предложение должно включать: Организация планирования инновационной 1. Информацию об объекте исследования или деятельности в методологии осуществления венчурного разработки, области применения, цели, путях решения, методах бизнеса представлена на рис. 1 или методологии проведения поисковых исследований, в формулировках которых, особое внимание целесообразно обратить на научную обоснованность выбранных направлений прикладной деятельности. Госбюджет 2. Результаты ранее выполненных теоретических и (или) экспериментальных исследований, характеризующие: Средства Новые, знания Новые идеи, 2.1. новизну разработки; заказчиков, (область - фундаментальные концепции, инвесторов исследования) алгоритма 2.2. основные технологические, технические, эксплуатационные, экономические показатели преимуществ Собственные планируемой к разработке продукции в сравнении с аналогами средства 2.3. перспективность разработки с учетом оценки ожидаемой потребности отечественного и зарубежного Инновационные предложения рынков: - прогноз выхода на отечественный рынок, в особенности с учетом импортозамещения, на основе создания соответствующих научно-производственных структур; Поисковые НИР - возможность экспорта. 3. Рекомендации по развитию дальнейших исследований, проведению ОКР и внедрению результатов НИОКР. Инвестиционные Инновационное предложение должно заканчиваться предложения поисковыми НИР.
Инвестиционное предложение
НИР, в т.ч. НИР с элементами НИОКР Содержание инвестиционного предложения должно быть направлено на обоснование выполнения научно- исследовательских работ как составной части НИОКР, ориентированных на создание и внедрение экономически ТЭО эффективных высоких технологий. Инвестиционное предложение должно включать: Маркетинговые исследования 1. Информацию об объекте разработки, состоянии и
НИОКР Бизнес план перспективах развития рынка, цели НИОКР, путях решения поставленных задач, методологии проведения работы, ориентированной на достижение конечного результата НИОКР (опытный образец, опытная партия, Опытные образцы, опытное производство). подготовка производства 2. Планируемые результаты НИР, в особенности, характеризующие новизну разработки, основные Фиг.1.Организация планирования инновационной деятельности технологические, технические, эксплуатационные, в методологии осуществления венчурного бизнеса экономические преимущества создаваемого продукта, в т.ч.: На первом этапе инновационного процесса проводится 2.1. определяющие технические показатели, на инжиниринговый анализ результатов фундаментальных подтверждение которых должны быть направлены исследований (идеи, концепции, закономерности). теоретические и лабораторные исследования Финансирование осуществляется в основном из госбюджета на изготовленных в ходе выполнения НИР безвозвратной основе. экспериментальных образцов или (и) На втором этапе проводятся исследования прикладного экспериментальных технологий; характера. Они финансируются как за счет бюджета, так и за 2.2. прогнозируемая цена продукции, рассчитываемая на счет средств заказчиков или инвесторов. С этого этапа основе укрупненной сметной калькуляции; возникает возможность потери вложенных средств в 2.3. образующийся у потребителя экономический эффект; разработки инновации, что предопределяет рискованный 2.4. жизненный цикл продукции; характер бизнеса. 2.5. сроки и объемы финансирования НИОКР;
36 2.6. наличие подтвержденной заинтересованности в производства (поквартально, в течение 2-3 лет). результатах разработки потенциальных Планируемая цена продукции, рассчитываемая на основе потребителей. расширенной сметной калькуляции (поквартально, в течение 2-3 лет). 6. Коммерческая перспективность: Технико-экономическое обоснование (ТЭО) 6.1. экономический эффект, возникающий у потребителя; 6.2. срок окупаемости инвестиций. Содержание ТЭО должно быть направлено на 7. Порядок постановки продукции на производство [3]. обоснование выполнения опытно-конструкторских работ как завершающей стадии НИОКР, ориентированной на дальнейшее экономически эффективное внедрение 3.Заключение. создаваемых высоких технологий в производство, в том числе Соотношением этих влияющих на формирование с учетом прогнозируемых изменений требований на данную экономического эффекта, образующегося у Потребителя продукцию в течение ее жизненного цикла и соответственно изделий определяют благоприятность (неблагоприятность) предполагаемых этапов ее модернизации. рыночной ситуации, как для Потребителя материала, так и для Производителя изделий. Учитывая это, Производитель нового ТЭО должно включать: материала должен реально оценивать свои производственные возможности и особенно ожидаемый объем продаж. 1. Информацию об объекте разработки, методологии проведения работы ориентированной на внедрение продукции в производство, путях решения поставленных 4. Литература задач. 2. Результаты маркетинговых исследований: [1]. Шаленкова О. «Методика количественной оценки 2.1. технические преимущества в сравнении с аналогами; синергетического эффекта как ключевого фактора в принятии 2.2. анализ цен на товары - аналоги; решения о проведении сделовк М&А». Москва. Журнал 2.3. оценка и прогнозирование емкости рынка, включая «Слияние и поглощение», №1, 2008 г., стр 45 прогноз объемов продаж; [2].I.E. Uskova, T.B. Rubinstein, T.A. Kasatkina. Determination of 2.4. возможность импортозамещения и трансферт на performance criteria for mergers and acquisitions in the metals международные рынки. industry. Metalurgija, № 3 Zagreb ,Croatia, 2010 3. Планируемые характеристики производственного [3]. I.E. Uskova, N.L. Chekunova-Tomasteva. Typical potentional процесса (необходимое оборудование, производственные investors for innovative oriented R&D. Metalurgija, № 3 Zagreb, мощности). Croatia, 2012 4. Обоснование достижимости запланированных технических показателей. 5. Развернутая характеристика развития финансовых потоков на стадиях подготовки и осуществления
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 2. Предпосылки и средства решения проблемы Одним из базовых понятий технологии машиностроения Проводя анализ известных методик оценки является технологичность. Технологичность конструкции производственной технологичности, следует отметить подход, является определяющим фактором при формировании затрат в основу которого положено установление связей между на изготовление и дальнейшую эксплуатацию изделий, частными показателями технологичности и их влиянием на поэтому задачи разработки и оптимизации конструкции технологические составляющие обработки [3]. Отличительной изделий необходимо решать, опираясь на возможности особенностью данного подхода является разработанное конкретной производственной системы, в которой представление об исходных данных для расчета показателей предполагается их изготовление [1]. Понятием, которое технологичности, которое включают как информацию по определяет соответствие запланированных для изготовления рассматриваемой детали, так и систематизированную изделий возможностям производственной системы, является справочно-методическую информацию, связывающую производственная технологичность. Современные положения конструктивные характеристики элементов детали с технологии машиностроения не позволяют решить, в полной технологическими методами их получения. Однако этот мере, задачу оптимизации конструкции изделия с точки зрения подход обладает рядом недостатков: технологичности, а задача отработки конструкции изделия на • не направлен на оценку технологичности для производственную технологичность с учётом конкретных конкретной производственной системы, в которой будет условий производства до настоящего времени не ставилась. выполнятся обработка детали; Оценка технологичности, во многом, является • справочная и нормативно-техническая информация, субъективной, зависящей от опыта и знаний отдельных используемая в качестве составления исходных таблиц для конструкторов и технологов, что не учитывает существенно расчета, требует постоянных корректировок, что отражается на расширяющиеся возможности современного оборудования и не методике вычисления, особенно в установлении применяемых позволяет обеспечить эффективность его эксплуатации [2]. весовых коэффициентов показателей; Следовательно, необходима разработка инструмента для • методика расчета не отражает тип производства и поддержки принятия решений, позволяющего объективно особенности как самой производственной системы, так и оценить технологичность конструкции проектируемых изделий применяемые подходы к технологической подготовки относительно условий и возможностей конкретной производства; производственной системы. Процесс оценки технологичности • ведётся оценка производственной технологичности изделий является противоречивым и сложноформализуемым, отдельно каждой детали. поэтому реализация оценки технологичности проектного В наибольшей степени указанные недостатки и требования решения возможна только после создания моделей, адекватно учтены при разработке системы автоматизированного отражающих связь между конструктивными элементами планирования многономенклатурных технологических изделий и технологическими свойствами производственных процессов (САПМТП) [4], которая в рамках комплексной систем. Следует отметить, что существующая система автоматизации процесса конструкторско-технологической показателей позволяет установить такую связь на уровне подготовки производства позволяет автоматизировать сложившихся к настоящему времени конструкторско- количественную оценку на производственную технологичность технологической стандартизации и унификации, однако она в условиях многономенклатурных механообрабатывающих обладает рядом недостатков, главными из которых является систем [5]. отсутствие направленности на конкретную производственную Основой информационного обеспечения САПМТП систему, в которой будет выполняться обработка деталей, и является база данных по технологическим возможностям независимая оценка производственной технологичности оборудования, структура которой обеспечивает прямую каждой детали, хотя в условиях многономенклатурного взаимосвязь между конструктивными характеристиками, производства для его экономически эффективного требованиями точности, качества поверхностей функционирования важна не только унификация на уровне изготавливаемых изделий и технологическими способами их отдельных конструктивных элементов одной детали, но и обеспечения, относящимися к каждому конкретному унификация конструктивных характеристик для всей представителю оборудования, которое имеется в номенклатуры деталей, обрабатываемых одновременно в рассматриваемой производственной системе. рамках производственной системы.
38 Определение возможности изготовления конструктивных элементов Определение эффективности изготовления детали известными в настоящее время технологическими методами с детали в условиях реально складывающейся применением имеющегося в рамках конкретной производственной производственной ситуации системы оборудования и оснастки
Оценка наличия Оценка Оценка степени использования Соответствие сформированного технологических технологических потенциальных возможностей заказа на изготовление деталей методов возможностей оборудования, имеющегося в возможностям эффективного изготовления оборудования конкретной производственной функционирования системе производственной системы
Сравнение Определение степени Прогнозирование Установление характеристик использования загрузки возможности изготавливаемых функциональных технологического многовариантности конструктивных возможностей оборудования при при разработке и элементов деталей с оборудования с изготовлении реализации максимальными позиции увеличения заданной технологических технологическими концентрации номенклатуры процессов возможностями технологических деталей изготовления оборудования операций деталей
Показатель Показатель Показатель Показатель Показатель возможности использования технологичности прогнозирования многовариантности изготовления технологических детали по уровня загрузки решений при заданной возможностей однородности технологического проектировании и номенклатуры производственной технологического оборудования при реализации деталей системы оборудования обработке заданной технологических номенклатуры деталей процессов
Рис. 1. Дополнительные количественные показатели оценки производственной технологичности
точности и качества обработки для каждого вида элементарных 3. Решение рассматриваемой проблемы поверхностей на каждой из групп оборудования На основе сформулированных требований к оценке A = A (l=1,2,…, L; k=1,2,…, K), (1) производственной технологичности, учитывающих условия m klm ),( конкретной производственной системы и ориентацию на где Am – группа технологического оборудования; l – номер особенности многономенклатурных систем механообработки, вида элементарной поверхности; L – общее число выявленных взаимосвязей между производственной элементарных поверхностей, возможных для обработки на технологичностью и ее влиянием на технологические имеющемся оборудовании в рамка рассматриваемой составляющие обработки, обоснован состав дополнительных производственной системы; k – номер характеристики качества показателей оценки производственной технологичности, поверхности; K – общее количество характеристик качества созданы математические модели и методики, позволяющие поверхностей деталей; Am(l,k) – значение k-ой характеристики l- сделать заключение о возможности рационального ой элементарной поверхности, получаемое при обработке на m- обеспечения параметров деталей при их обработке в ой группе оборудования; m – номер группы технологического конкретной производственной системе (рис. 1). оборудования (m=1,2,…, M); M – количество групп Вычислительные процедуры оценки производственной технологического оборудования в рамках производственной технологичности разделены по функциональным задачам на системы. две группы. В задачу первых входит отсев деталей, На основе сформированной матрицы (1) определяются изготовление которых невозможно в условиях данной элементы матрицы возможных максимальных показателей производственной системы с установлением конструктивно- качества обработки для каждого вида элементарных технологических причин. Такое заключение дается при поверхностей для производственной системы в целом определении показателя возможности изготовления заданной номенклатуры деталей. В задачу вторых входит формирование ПП == max A , ,kl ()klm ),( (2) технико-экономического заключения о соответствии комплекта m обрабатываемых деталей возможностям производственной системы и выработка предложений по оптимизации где Пl(k) – максимально достижимое значение k-ой конструкции деталей с точки зрения производственной характеристики l-ого типа элементарной поверхности. технологичности. Для деталей на основе конструкторской документации Для определения возможности изготовления заданной формируется матрица с информацией о характеристиках номенклатуры деталей на основе базы данных обрабатываемых поверхностей технологических возможностей оборудования САПМТП a = a (j=1,2,…, J; k=1,2,…, K), (3) формируется матрица максимально достижимых показателей i kji ),(
39 где ai – обрабатываемая деталь (i=1,2,…, I); I – количество оборудования. Количественным выражением этой оценки деталей, запланированных для обработки в производственной является показатель технологичности детали по однородности системе в рассматриваемый период времени; J – количество технологического оборудования. Его расчёт производится элементарных поверхностей детали (для каждой детали путём выполнения следующих проектных процедур: различное количество); ai(j,k) – значение k-ой характеристики j- 1) определение возможности обработки элементарных ой поверхности детали. поверхностей детали на оборудовании в рамках Процедура выполнения оценки технологической рассматриваемой системы; возможности изготовления заданной номенклатуры деталей в 2) анализ возможности объединения обработки отдельных рамках рассматриваемой производственной системы элементарных поверхностей в рамках одной технологической заключается в сравнении элементов матриц (2) и (3) по операции; столбцам для одинаковых видов элементарных поверхностей 3) оценка возможности объединения обработки на одном на предмет возможности достижения при обработке оборудовании различных элементарных поверхностей на показателей качества, заложенных в конструкторской основе кластерного анализа. документации. Результатом является заключение о наличии в Полученный показатель позволяет провести оценку рамках производственного участка оборудования, соответствия конструкции и характеристик поверхностей технологические возможности которого позволяют изготовить детали возможностям технологического оборудования в детали с заданными техническими характеристиками. В случае рамках рассматриваемой производственной системы с позиции отсутствия требуемого оборудования определяется деталь и достижения требуемых значений концентрации техническое требование, обеспечение которого в данной технологических операций. Это для условий производственной системе невозможно. многономенклатурного производства является одним из Наряду с установлением возможности изготовления определяющих факторов обеспечения качества выполнения заданной номенклатуры деталей немаловажным является работ (снижения количества переустановок детали) и показатель использования технологических возможностей эффективного функционирования оборудования за счет производственной системы, который определяет степень снижения количества переналадок, вспомогательного времени соответствия используемого оборудования той номенклатуре при выполнении операций и организационных затрат. деталей, которая запланирована для обработки. Учитывая Другим важным показателем эффективной работы постоянную изменчивость производственных заданий, многономенклатурных производственных систем свойственную производствам с единичным, мелко- и механообработки является рациональная загрузка среднесерийным характером, задача рационального технологического оборудования. Условием её обеспечения использования производственных мощностей является одной является многофункциональность имеющегося оборудования, из ведущих для обеспечения эффективной работы при этом характеристики сформированной номенклатуры и производственной системы. программа выпуска деталей должны позволять равномерно Вычисление показателя использования технологических использовать все группы оборудования в рамках имеющейся возможностей производственной системы состоит из производственной системы, что и определяется при расчёте последовательно выполняемых процедур: показателя прогнозирования уровня загрузки технологического 1) формирование матрицы максимально достижимых оборудования при обработке заданной номенклатуры деталей. характеристик обработки элементарных поверхностей для Его вычисление производится в следующем порядке: производственной системы в целом (2); 1) формирование вариантов обработки элементарных 2) формирование матрицы показателей использования поверхностей на основе, исходной матрицы использования технологических возможностей производственной системы технологического оборудования (1); при обработке элементарных поверхностей путём расчёта для 2) определение времени обработки элементарных каждой j-ой элементарной поверхности каждой i-ой детали по поверхностей по укрупнённым формулам; формуле 3) расчёт вероятности выполнения обработки элементарных поверхностей на каждом оборудовании; П − a 4) вычисление времени реализации технологических ()l,k kji ),( (4) П (a 1) −= операций для каждой группы оборудования при изготовлении итв kji ),( − , (max kk )min деталей из заданной номенклатуры; где l определяется по совпадению кода элементарной 5) моделирование работы системы массового поверхности рассматриваемой детали и кода элементарной обслуживания и расчёт коэффициента загрузки оборудования; поверхности в матрице (2), maxk и mink – максимально и 6) расчёт среднего показателя загрузки оборудования. минимально достижимые значения k-ой характеристики, По значению данного показателя можно сделать определяемые из научных основ технологии машиностроения; заключение как по рациональности комплектования 3) формирование матрицы показателей использования обрабатываемых в рассматриваемый промежуток времени технологических возможностей производственной системы для деталей, так и по рациональности состава технологического каждой детали; оборудования в производственной системе в части 4) определение показателя использования соответствия его производственному заданию. технологических возможностей системы в целом Вместе с тем, функционирование многономенклатурных I производственных систем механообработки связано с неизбежными постоянными изменениями производственной ∑ Питв ai )( = (5) ситуации. Поэтому создание условий для многовариантности П = i 1 . итв(пс) I реализации обработки деталей даёт возможность адаптировать Наряду с оценкой показателя использования процесс изготовления к реально складывающейся технологических возможностей оборудования по производственной ситуации, тем самым обеспечивая лучшие конструктивным и точностным характеристикам деталей технико-экономические показатели работы производственной существует необходимость определить степень возможной системы. концентрации технологических операций, так как специфика От конструктивных характеристик деталей, функционирования многономенклатурных производственных запланированных для обработки, во многом зависит систем, заключающаяся в постоянном обновлении возможность наделения создаваемых технологий свойством выпускаемой продукции, направлена на повышение многовариантности, которую можно спрогнозировать при концентрации технологических операций для максимального расчёте показателя многовариантности решений при использования функциональных возможностей современного проектировании и реализации технологических процессов на
40 основе данных о многообразии выбора технологического 5. Заключение оборудования при выполнении обработки отдельных Таким образом, обоснован состав дополнительных поверхностей деталей. показателей количественной оценки на производственную технологичность деталей, разработана система поддержки 4. Результаты и дискуссия принятия решений на основе расчёта предложенных Предлагаемые показатели оценки производственной показателей, что даёт возможность максимально использовать технологичности дополняют известные показатели и конструкторско-технологические резервы для решения задач используют дополнительную исходную информацию, повышения технико-экономических показателей изготовления включающую данные о технологических возможностях и изделий. Разработанные методики для количественной оборудования, содержащуюся в информационном обеспечении оценки дополнительных показателей производственной системы планирования многономенклатурных технологичности механообрабатывающих производств технологических процессов. учитывают специфику технологической подготовки Отличительной особенностью оценки производственной единичного, мелко- и среднесерийного производства и технологичности с применением разработанных показателей ориентированы для использования в системе планирования является то, что определяется не абстрактная производственная многономенклатурных технологических процессов. технологичность деталей, а технологичность для конкретной производственной системы. Таким образом, не только более Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ корректно делается заключение об обеспечении заданных МК-1835.2013.8 характеристик изготавливаемых деталей и уровне сложности подготовки производства, но и прогнозируется эффективность 6. Литература функционирования производственной системы при 1. Бокова, Л. Г. Технологичность как фактор повышения изготовлении изделий. эффективности конструкторско-технологической подготовки Оценка показателя возможности изготовления деталей в механообрабатывающих производств / Л. Г. Бокова, П. Ю. условиях производственной системы позволяет сделать Бочкарёв // Вестник Дагестанского научного центра РАН, заключение о наличии технологического оборудования, Махачкала.–2012, № 45.– С.29-31. которое обеспечивает при обработке получение всех 2. Бочкарёв П.Ю. Оценка производственной технических требований к изготавливаемым деталям, тем технологичности изделий с учетом состояния самым снижается степень субъективного подхода к принятию многономенклатурного автоматизированного производства / технологических решения и вероятность получения брака. П. Ю. Бочкарёв, С. Г. Митин, Л. Г. Бокова // Международный Показатель использования технологического оборудования технологический форум «Инновации. Технологии. позволяет принимать решения по уровню использования его Производство»: Сборник тезисов докладов. – Рыбинск: РГАТУ функциональных возможностей, что для условий имени П.А. Соловьева, 2014.– С.77-78. многономенклатурного производства является одним из 3. Сагателян, Г.Р. Анализ технологичности конструкций важнейших факторов конкурентоспособности производства. деталей приборов, изготовляемых методами обработки Уровень показателя однородности по использованию материалов резанием / Г.Р. Сагателян, Н.Р. Руденко, оборудования с позиции увеличения концентрации Н.Г. Назаров.–М.: МГТУ. 1995.–32 с. технологических операций и обеспечения условий для 4. Бочкарёв, П. Ю. Системное представление формирования рациональных структур операций связан как с планирования технологических процессов механообработки / качественными, так и с экономическими параметрами П. Ю. Бочкарёв // Технология машиностроения.– 2002, № 1.– производства. Повышение концентрации операций С.10-14. обеспечивает сокращение технологических маршрутов, что 5. Митин, С. Г. Разработка технологических операций с сказывается на обеспечении качества изготовления деталей. учётом показателя технологичности в системе планирования Кроме того, сокращаются затраты на переналадку многономенклатурных технологических процессов / технологического оборудования. Структура технологических С. Г. Митин, П. Ю. Бочкарёв, Л. Г. Бокова // Вестник операций является определяющим фактором, позволяющим Саратовского государственного технического университета. – путём её оптимизации сократить основное время выполнения 2011, № 3(58).– С.101-105. 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.
41 COMPARISON BETWEEN PROJECT MANAGEMENT AND SOFTWARE PROJECT MANAGEMENT M.Sc. Ivanova Milka Faculty of Mechanical Engineering – Technical University of Sofia, Bulgaria [email protected]
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 • All the desired product/project attributes (quality, security, Small and fairly simple software projects need project management. productivity, cost, etc.) are met; What differs among the various software projects is in the degree of • Target milestones are met along the way; management efforts. A large and complex software project would require some sophisticated project management skills and • Team members are operating effectively and with high considerable effort, along with tools to aid the management tasks. morale; The key is to strike a balance between lean project management and excessive project management, never letting it become too meager • Required tools and other resources are available and or too overbearing. effectively utilized. Many software engineering confuse software project management It is important to remember that a project manager cannot do this with the software engineering process and development life cycle. alone but has to work through the team members to accomplish Software project management follows a management process to these management targets. ensure that the appropriate software engineering process is implemented, but it is not itself a software engineering process. Planning Figure 1 depicts the high-level flow of a software project manage- Planning is a natural first phase of any project. The success and ment process and the four major sets of activities (known as failure of the project rides heavily on the results of proper planning. РОМА) that are involved [2], [4]: So many software projects tend to rush and minimize this phase • Project Planning, citing schedule and cost constraints. Even with a well-planned project, it is not unusual to still see many changes and • Project Organizing, modifications. Some will use this reason to develop a poor plan or even totally skip planning. Having a well-conceived and • Project Monitoring documented plan, however, will help facilitate the anticipated • Project Adjusting. 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 Figure 1 Software project management process engineering's requirements methodologies and process provide the directions on how to perform information gathering and analysis. These four activities of РОМА may sometimes overlap. Most of the Project management must ensure that there are qualified resources, major portions of the activities are performed in sequence, a flow proven methodology, and sample time set aside to perform the tasks depicted by the large arrows in the figure. Project management related to answering these questions. Sometimes customers and ensures that the following goals are met: users are asked to fund these activities separately; other times the • The end results satisfy the customer's need; 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 extensive and lengthy. The content of a project plan [3] must phase and are willing to pay for part of the activities. include the following basic items: Once the basic project requirements are understood, the rest of the • Brief description of the project requirements and project planning activities are much easier to perform and complete. deliverables; The following activities are the major parts of project planning: • Set of project estimations: • Ensure that the requirements of the project are accurately understood and specified; Work effort • Estimate the work effort, the schedule, and the needed Needed resources resources/cost of the project; Schedule • Define and establish measurable goals for the project; • Set of project goals to be achieved; • Determine the project resource allocations of people, • Set of assumptions and risks. process, tools, and facilities; The plan may be expanded to include a discussion of the problems • Identify and analyze the project risks. to be resolved, differentiating between those problems that must be fixed and those that it would be nice to fix. A user and customer One of the most difficult tasks during this phase is defining realistic profile may be included. and measurable goals. We are used to making grand claims about software products-superior quality, easy to use, easy to maintain. Although it is true that there will always be many unknowns during We also like to claim that we have the most efficient and productive the planning stage, the more thorough the project planning phase is, team members or most effective methodology. Unless these claims the higher the chance that project will be successful. This does not are well defined and measurable, they cannot serve as project goals mean that there will be no change to the project or to the plan. Even because there will be no way of monitoring them. As happens in the best planned project will face some changes as the earlier requirements gathering and analysis, a project manager will not be unknowns become dearer. There will also be some justifiable defining these goals alone. It usually is, and should be, a team change of heart as the project progresses. All project managers and effort. The success of a project is determined by whether the jointly project team members should be prepared for such changes. planned and agreed to goals are achieved. Therefore, the project team members should all understand these goals and measurements. Organizing A goal or definition must be measurable so that as we are monitoring the project we can ascertain if the product will achieve Once a project plan has been formulated or even before it has been the high quality expected. completed, the organizing activities must be initiated. For example, as soon as we have the estimated resources planned, hiring and This goal specification provides us with ways to measure the placement may begin. Table 1 shows how some of the planning and progress toward the final attainment of a goal. We сал organizing activities may be paired and overlapped. quantitatively count the number of total functional requirements, the number of tested functional requirements, the number and severity Table 1 Planning & Organizing Activities of problems found during the test, and the number and severity of problems remaining at product release time. With these we can Planning Organizing determine whether we have achieved the quality goal. Project content & deliverables The goal of meeting project schedule should be stated with more than just a single date. It must be divided into multiple elements that Project tasks & schedule Set up tracking mechanisms of can be measured along the way and the goals need to be tasks and schedules quantitatively measurable and monitored throughout the project. Project resources Acquire, hire and prepare Nonmeasurable goals are often said to be nonmanageable. resources such as people, tools Another part of planning activities is the identification and analysis and processes of risk items. There are very few projects with no risk. Software Project goals & measurement Establish mechanism to projects are fraught with cost overruns and schedule delays. Risk measure and track the goals management thus becomes an integral part of software project management, and all risks must be considered during the planning Project risks Establish mechanism to list, phase. Risk management itself is composed of three major track and assign risk mitigation components: identification, p prioritization and mitigation tasks How do we identify risks? Some fertile areas to look for risks As soon as a specific planning activity such as risk planning is include new methodology, requirements new to the group, special complete, we can establish the mechanism for tracking and skills and resource shortage, aggressive schedule, and tight funding. mitigating the risks. The project manager does not need to wait for It is important to consider all possible items that might have a every planning activity to be finished before starting the organizing negative impact on the project Of course, such a list may be huge phase. The organizing phase requires more than broadband and impossible to work with, so it will be necessary to prioritize the management skills. risks and perhaps decide to consider and track only the high-priority Because software development and maintenance projects are more problems. After a prioritized list of risks is agreed on, the planning human intensive than most of the projects in other industries, it is process must include an activity set to mitigate these prioritized vital that the project manager pay special attention to the personnel risks and to take some action. Hoping that some external force will requirements and ensure that there is an organizational structure magically appear and reduce the risks would be foolishly optimistic. built in a timely manner and based on the project plan. Having a A plan to mitigate these risks must thus be included during the great plan and not being able to execute it due to a lack of, or a project planning phase. wrong grouping of, personnel is not always openly acknowledged The activities in a project planning phase all contribute to because issues with people, organizations, and skill sets are often developing an overall project plan. Depending on the projects, some the most uncomfortable and emotional items to discuss. project plans may be quick and short while others may be very
43 During the organizing phase, other resources such as toots, are some of the more popular ways to visualize and report this education, and methodologies need to be scheduled, and information: Pie charts (to show proportion of different categories), preparations need to be made so that they are available at the correct Histogram (to show relative frequencies of different data value time. Even though the plan may contain the appropriate financing range in bar chart form), Pareto diagram (modified histogram – to for the resources, this is the phase when all problems related to show data in ascending or descending order), Time chart (to show procurement or financing of resources are rooted out and resolved. the values of data trough time), Control chart (modified time chart – to show the values of data trough time in relationship to acceptable In addition, all the mechanisms required for monitoring the project bounds) and Kiviat diagram (to show multiple metrics) [1]. need to be defined and set up. In particular, the project goals that will be tracked during the monitoring phase need to be revisited, Based on the monitored information, the project manager and the and all modifications to them should be made at this time. team would then collectively make decisions on whether the observations indicate a need for a change. Monitoring Adjusting After the project plan is set and organized, the project still cannot be expected to just coast to a successful completion by itself. No Making adjustments is a crucial step in project management matter how thoroughly the plan is prepared and how carefully the because the chance that a project requires no change is very small. project is organized, the process is never perfect. Inevitably, some If the monitoring process indicates any need for adjustment, then part of what was planned and organized will face a change. the project management team must take timely actions. The areas that need change may be many and varied. However, the most There are three main components involved in project monitoring: likely instruments for adjustment that are available to the project • Collection of project information management are the following: • Analysis and evaluation of the collected data • Resources • Presentation and communication of the information • Schedule The monitoring mechanism must collect relevant information • Project content pertaining to the project. The first question is what constitutes The resources are directly under the control of the project relevant information. At a minimum, the planned and stated project management. For the most part, projects are usually in need of more goals must be monitored. The second question is how the resources. When more resources are added to the projects, the information will be collected. These two issues should have been timing of such additions is very important. Adding human resources addressed during the planning and the organizing phases. Data to rescue schedules may often result in the reverse effect. New collection comes in two modes. Some data are gathered through employees may slow down the existing, experienced workers on the regular and formal project review meetings. In these reviews, project because of the amount of time the experienced people would preestablished project information must be available and presented have to take away from their assigned work to explain and bring the without exception. If any exception does occur, it should be viewed new person on board. Introducing a new tool or a new process at the as a potential problem and will deserve at least a quick look by the wrong time can produce the reverse effects of elongating the time project manager. Other data are collected through informal channels and cost. such as management walk around a process of informal socializing that should be a natural part of the manager's behavior. In today's In contrast, there are times when resources are reduced. An example global economy and distributed software development, the of human resource addition and reduction that often happens in a collection of data through indirect and informal channels is software project would be temporary testers who are brought on becoming increasingly difficult in spite of the advances in board to perform well-planned and scripted tests but are released technology. Direct human contact is a costly proposition for after the testing has been completed. This is a planned increase and geographically distributed organizations. As a result, many decrease of human resources. The more familiar cases are the managers will cut on travel expenses and opt to spend on equipment nonplanned situations where a schedule crunch or an unexpected or some other directly visible item. Software project managers need change in project content forces the project team to consider to be especially sensitive to this because the software industry is adjustments in resources. Assuming the schedule crunch means that still a human-intensive business. the schedule must be maintained but other parameters may change and then adding resources is one possible solution and must be The information collected through the regular and formal project seriously considered. There are times when a crucial human review meetings are analyzed in a variety of ways. Most project resource may drop off from the project. Then the project manage- managers will attempt to perform the analysis themselves. In large ment team must consider the possibilities of adjusting either the and complex projects that involve several organizations and a long schedule or the project content or both. Doing nothing and just time frame, there may need to be a small staff group that performs asking the remaining people to bear the brunt may only work once the data analysis with established techniques such as the following: or only for a short period of time. For the most part, the project • Data trend analysis and control charts management team must consider some actions against the schedule or against the project content when there is a resource change. • Data correlation and regression analysis Another scenario is that a schedule needs to be kept intact or even • Moving averages and data smoothing shortened but lost resources cannot be replaced or added quickly enough. That leaves only the option of a reduction of project • General model building for both interpolating and content, Reducing project content late in the project cycle, much extrapolating purposes like adding human resources, is not trivial. A designed and coded The collected and analyzed information must be communicated, functional area that has some level of coupling to other parts of the reported, and acted upon. Otherwise, the entire monitoring process software cannot easily be taken out without careful consideration of may be construed as nothing more than a superfluous bureaucratic the other interrelated areas. The time and effort spent in reducing exercise. Information reporting requires different presentation styles the project content in order to keep or shorten a schedule may in and awareness of the fact that the way some information is fact create additional work and increase the schedule. In the event presented and visualized can certainly sway the receivers of the that more skilled resources can be added very quickly and in time, information. For example, we all love to see the revenue chart then that may be a better solution than reducing project content. showing a curve that goes upward from left to right. The following There are times when customers flatly ask for a schedule reduction
44 due to increased competition, or when the upper management of a Summary software development organization may request an earlier product release than planned due to unplanned external events. In such We first introduced the four РОМА phases of software project cases, a change in schedule will affect and most likely require management: (1) planning, (2) organizing, (3} monitoring, and (4) adjustments to resources or to product content or both. Again, adjusting. РОМА is shown to be sequential at the macro level. schedule changes are often unplanned and require that an However, the phases may overlap and may actually iterate among appropriate adjustment is made quickly. themselves, especially between the monitoring and adjustment phases. The complex and time-consuming planning phase is the key Often there are also changes in project content that occur after the to project success. The monitoring phase is also important, and all project requirements are set and the project is organized to start. projects must be monitored until the end. When necessary, the Inevitably, it is the customer or the user who asks for a change or an project manager must take actions and make the appropriate addition. Sometimes it is just human error or the result of seeing adjustments. some prototype function and having a better understanding. We have already discussed possible effects of late reduction of the Project monitoring involves the ongoing comparison between what project contents. Additions or changes to project content are also is planned and what is actual. Based on this observation, project time sensitive. In any case, most of the changes in project content managers would have to decide on whether any action, or would require an adjustment in either schedule or resources or both. adjustment, needs to be taken. Earned value management is introduced as a viable technique for monitoring the project effort These three parameters - resources, schedule, and project content, and project schedule. This process essentially compares the planned are often the three key factors that project managers focus on during or estimated project task efforts against those project task efforts the monitoring and the adjusting phases. Changing one usually that were actually expended. We have explained the need for setting affects the other two. Notice that another familiar attribute in goals and tracking the goals as part of project management, in order software engineering, software quality, has not been brought into to accomplish those tasks, measurement is needed. the adjustment and trade-off discussion. This is because software quality level, once agreed upon, should be tracked but should rarely Literature: be an element offered in the adjustment and trade-offs of the 1. Chank N. Mathematical Foundation, IEEE, 2012 software project. Software engineers and management should be 2. Murray D., N. Sanford, Software Engineering Project extremely careful not to trade quality for schedule or for other Management, University of London, 2012 parameters 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 [email protected] 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 При решаването на задачи от този вид, най-напред се построяват допирателните спомагателни равнини, с помощта Задачата от взаимно пресичане на цилиндрични на които се определят неучастващите в пресичането части от повърхнини е една от основните в инженерната графика. цилиндричните повърхнини (на чертежа на фиг.1 обозначено с Решението на една такава задача предизвиква много въпроси щриховка) и се прави извод за характера на пресичането, т.е. свързани с действителните размери и форма на пресичащите се определя се дали то е проникване или зазъбване [1]. Снопът тела. Поради тази причина беше проведена симулация на спомагателни равнини са успоредни на дирята на програма за тримерно моделиране, която да даде достатъчно проекционната равнина в която лежат осите на двата пълна и окончателна визия на проектираните обекти. цилиндъра. За по-голяма нагледност и ергономичност при Предложено е и още едно решение на разглежданата задача, визуалното възприемане на ситуацията, спомагателните подкрепено с емпирични доказателства. равнини са кодирани цветово. Редът на свързването на точките, определящи триизмерната пространствена крива на 2. Решение на задачата пресичането между двете тела съответства на цветовото кодиране. Нека разгледаме решението на една от класическите задачи Всеизвестно е, че цилиндричните тела са ротационни и от взаимното пресичане на две цилиндрични тела. освен това се проектират с един и същ диаметър в две от Един от методите, който се използва е „сноп успоредни проекциите си, и като окръжност в третата, но само когато спомагателни равнини“. Тези равнини са успоредни и на цилиндъра е в частно положение. Освен това всички образувателните на двата цилиндъра. Всяка от равнините образувателни са в истинска големина, както и поне една от пресича цилиндрите в по две образувателни. Четирите основите на цилиндъра, но само при условие, че лежи или е образувателни, които лежат в една и съща спомагателна успоредна на някоя от проекционните равнини (виж фиг. 2а). В равнина, се пресичат в четири точки от линията на пресичането случай, че цилиндърът е наклонен към някоя от проекционните [1] . равнини (т.е. в общо положение към една от тях), той отново се На фигура 1 е показано решението на една такава задача- проектира с един и същ диаметър и в двете си проекции, но взаимно пресичане на два цилиндъра, предлагано от почти основата, която лежи в една от проекционните равнини, всички учебници по дескриптивна геометрия. (случая показан на фиг. 2б – в хоризонталната) се проектира Двата цилиндъра са зададени в общо положение – като елипса. Елиптичната основа запазва размера на диаметъра наклонени към хоризонталната и фронталната проекционни на цилиндъра по малката си ос, а голямата ос на елипсата равнини. 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
а) б) Фиг. 1 Взаимно пресичане на цилиндри Фиг. 2 Проектиране на цилиндър – характерни особености
46 общо положение, то би трябвало тялото да се проектира отново В повечето от разгледаните литературни източници обаче с един и същ диаметър и в трите си проекции, тъй като диаметъра на цилиндъра в двете проекции е с различен разглежданият цилиндър е ротационно тяло, и всяка от диаметър, а доказателство за това се вижда на снимките образувателните му е разположена на едно и също разстояние представени на фигура 4. В тази ситуация обаче бихме си от оста на тялото. Основата на цилиндричната повърхнина, задали няколко въпроса: - В коя от проекциите диаметъра на лежаща в една от проекционните равнини, се проектира като цилиндъра е представен с истинската си големина? За какво елипса, а образувателните вече не се проектират в истинска точно цилиндрично тяло става въпрос? големина. Доказателство за гореизложеното е представено на фиг. 3.
Фиг. 5 Проектиране на цилиндър в общо положение Задавайки си тези въпроси, беше решена отново задачата от Фиг. 3 Проектиране на цилиндър в общо положение фиг. 3, но по начините предложени в литературните източници На фигура 3 са показани двете проекции на цилиндрично (от фиг. 4), а именно - основата на цилиндъра, лежаща в тяло и по-точно, на единия от цилиндрите от фиг. 1. Изрично хоризонталната проекционна равнина да е окръжност, а не трябва да се отбележи, че диаметъра на тялото е един и същ и в елипса. Получава се ситуацията представена на фиг. 5. Тъй хоризонталната и във фронталната проекционни равнини. като основите са в проекционна връзка в двете съседни Намерена е и истинската големина на сечението. Вижда се, че проекции, а цилиндъра е наклонен, окръжността на основата, сечението е окръжност. 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. 6 Намиране на параметрите на решението
47 продукт за тримерно моделиране на обекти Solid Works. пресичащи се тела. Беше направено измерване, от което става Като начало, за симулиране на ситуацията в задачата, бяха ясно, че диаметрите на цилиндрите разположени в общо намерени по познатите на приложната геометрия начини: положение към фронталната проекционна ранина се запазват -ъгъл сключен между осите на двата пресичащи се същите, като на обектите. След това заставайки точно под цилиндъра; хоризонталната проекционна равнина беше възпроизведена -равнината в която лежат осите на двете цилиндрични тела, отново ситуацията с прозрачната проекционна равнина. След както и ъгъла който хоризонталната и дирята сключва с оса Х; направено измерване, бяха получени същите резултати за -ъгълът, който равнината в която лежат осите на двете диаметъра на проектираните цилиндрични тела. цилиндрични тела, сключва с хоризонталната проекционна Следователно за да имаме коректно решение на така равнина; поставената задача за пресичане на наклонени ротационни -ъглите между осите на цилиндрите както и ъгъла, който цилиндрични тела, то тя трябва да бъде решена по начина сключват с дирята на равнината която лежат. представен на фиг. 8, а именно, наклонените цилиндри Решението може да се види на фиг.6. запазват размерите на диаметъра си в различните проекционни Ъгълът сключен между дирята на равнината α в която равнини, а основите стъпили в хоризонталната проекционна лежат осите на двата цилиндъра и оста Х е 6о, ъгълът между равнина да се проектират като елипси, чийто голям диаметър осите на двата цилиндъра е 79о, а ъгълът сключен между да бъде разположен по продължение на оста на цилиндъра, а дирята на α и хоризонталната проекционна равнина е 45о. малкия диаметър, да запази стойността на диаметъра на зададения цилиндър.
а)
Фиг. 8 Взаимно пресичане на цилиндрични тела 3. Изводи От направеното в статията проучване, могат да се изведат следните изводи: б) - 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 в) съседната проекционна равнина. Недоизясняването на тези подробности може да предизвика Фиг. 7 Симулация на Solid Works проблем при обучението на студенти, при проектиране на След проектирането на ситуацията в тримерното обекти в един по-късен етап от обучението им по инженерна пространство на Solid Works, изпълнявайки всички поставени графика както и при работата им като бъдещи инженери. условия, се получи ситуацията на фиг. 7а. Заставайки точно зад прозрачната фронтална проекционна равнина (фиг. 7в), беше очертано разположението на двете
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 елементите на структурата (подсистемите), които се образуват Дизайна е една голяма идея на съвремието и включва в открити системи (биологични, физико-химични и др.) решаването на проблеми в различни области на средата в която благодарение на интензивен обмен на вещество и енергия с човек живее. окръжаващата среда в неравновесни условия” • Същността на дизайна е в съчетанието на • Система изкуство и технологични дейности, които да създават и Преподаването на знанията необходими за формирането на осъществяват проекти, участващи във формирането на личността на бъдещия дизайнер, с цел творческата им предметната околната среда. интерпретация, за да бъдат създадени условя за осъществяване • Целта на дизайна е създаването на на синергичен принцип в обучението е необходимо да отговаря хармонични продукти за тази среда, като се удовлетворяват на следните условия: материалните и духовни потребности на човека. Да е отворена система; • Два са основните компонента на дизайна: − Знанията за проявата на творческите проциси в функционалност и естетика. В процеса на реализация на своя изкуството∗, което е една отворена система, следва неговоя проект дизайнерите се стремят да осъществят тези два непрекъснато променящ се характер. компонента, като се изявява и същността на заложената идея. Да има възможности за обмен на енергия с Реализацията на послания и идеи в съвременния обкръжаващата го среда в неравновесни условия; дизайн е свързан с определени познания за функция, форма, − Създаване на възможност за кореспондиране с цвят и пластика. обкръжаващата го среда, чрез реализиране на дизайнерси продукт, изложби, конкурси, пленери и други форми на изява. 2. Синергична система Да се проявява като неравновесна система; − Моментът на преход от усвоено знание към творчески • Необходимост от синергична система експеримент е непредсказуем, както и решението за Овладяването на едно интелектуално знание - научно или реализацията на творческата изява. художествено, винаги е свързано с конкретизиране на Да е съгласувано действие на подсистемите; условията, при които се осъществява. Творческият подход при − Елементите, които стимулират творческият акт са проектирането на определен дизайнерски продукт е водещото подбрани във всяка една програма за стимулиране на начало за съвременния дизайн. Затова дисциплините История творческите способности на студентите. на изуството и Изобразителни методи и техники са част от Да е съгласувано поведение; тяснопрофилните дисциплини. − Организацията на усвояването на знание протича във − История на изкуството и дизайна е в базовия модул на фиксирано конкретно време и се осъществява чрез принципите теоретичните основи на дизайна; на достъпност и последователност. − Изобразителни методи и техники са основна част от Да нараства степента на подреденост. реализацията на идей при дизайнерското проектиране. − При този тип организация, проведените изложби.∗∗ Усвояването на знанията и формирането на конкретни доказват създаването на самоорганизиращи се екипи при умения определя и подбора на конкретни форми и методи за реализация на творческите задачи. Проява се творческа преподаване. Творческата реализация на придобито в процеса активност с конкретна реализация в творби и изложби. на обучението, интелектуалното знание изисква организация, През различните исторически епохи и при различните която да създава определени условия за творчески процес, а цивилизации се е използвал различен принцип на реализация именно: − Материално - технически възможности и средства за реализация; − Методико–дидактически възможности за преподаване Сборник доклади Промишлен дизайн – Юбилейна научна на знанията; конференция 10 години обучение по специалност „Промишлен Дизайн” Редакция на Орлоев Н. Р., 1995 Тези условия са предпоставка за създаването на система за ∗ преподаване в която да се проявява синергичен принцип. Гомбрих, Е., Изкуство и илюзия. Изследване върху психологията на изображението в изкуството, С., 1988 “Синергетиката (от гр. synergetikos - съвместен, съгласувано ∗∗ действащ)”∗ е научно направление, изучаващо връзката между 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, ∗http://wmileva.hit.bg/Fractals/Pages/Selforganisation.htm Обществени науки, СЗ 2000, с. 50
50 на продукта, съответстващ на философските и естетически Моментът на преход от усвоено знание към творчески възгледи на обществото експеримент е непредсказуем, както и решението за творческа За да изясня основните части на предложената изява и реализацията. система е необходимо да се спра на двете основни понятия – 4. Да е съгласувано действие на подсистемите; изобразяване и изразяване, свързани с творческия акт и Елементите, които стимулират творческият акт са подбрани за възприемането на дизайнерския продукт. стимулиране на творческите способности. Тези две понятия са коренно различни,но често се 5. Да е съгласувано поведение; възприемат като идентични. Тази неточност води и до Организацията на усвояването на знание протича във неправилното тълкуване на термина „изобразителни изкуства“, фиксирано конкретно време и се осъществява чрез като в съзнанието на възприемащия се набляга основно на принципите на достъпност и последователност. изобразяването, а не на цялостното възприемане на творбата. В 6. Да нараства степента на подреденост. тълковния речник на българския език, – изобразяване и При такава организация, бе проведен експеримент изразяване са конкретно разграничени, като значенията са свързан с цвета през 1999/2000г. следните: и доказано създаването на самоорганизиращи се екипи при Изобразявам - представям, пресъздавам нещо във формата на реализация на творческите задачи. • От своя страна Естетическото възприемане образ, като го описвам пластично със средствата на изкуството. е винаги емоционално украсено. Средата при която става Следователно това е действието на създаването. възприемането силно влияе на количествените и качествени Взаимодействието на пластичният обект с реализирането и е значения за индивида, възприети от дизайнерския продукт. пряко свързано с пластичния образ, чрез определени принципи Предварителните знания, символистичните и знакови послания и средства. спомагат художественото възприятие. Изразявам: проявявам се; с думи, с изрази; предавам, изказвам • При възприемане потребителя в една или мисли, чувства, желания и други. друга форма видоизменя посланието. Натоварва го със свои чувства и мисли. Информация подават всички семантични Следователно – това е предаването на конкретна дадености – стойности на фактурата, вида и посоката на идея, чрез определен образ. Изразяването или авторовия изказ обема,линиите, петната, точките и създадените контрасти. е свързан със създадените въздействия и пряко е свързан с Недоизказаното води до по-голям интерес при възприемането. “Там където всичко е възможно и нищо не е неочаквано, спира възприемането. Двете действия са неразривно свързани – като всякаква комуникация” Следователно знанията и творческото въображение предаването на определени, знания, мисли и чувства от страна са основа за създаване на дизайнерски продукт. Включени в на дизайнера и възприемане чрез определени въздействия от синергична система отделните елементи взаимно усилват страна на потребителя. От своя страна различните видове своето въздействие. 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 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 minimize the effects of risk. In the 'risk' here includes not only the risk of unexpected losses, but also financial, strategic, operational Risk management in industrial enterprises is very hot topic and other types of risks, i.e more comprehensive approach to risk today on the one hand because of the extremely important role of management. industry in the global and national economies and on the other - Widespread popularity has acquired following COSO ERM’s from the growing uncertainty in the results that industrial definition of risk management "process performed by a board of enterprises rely as their goals and expect to achieve by its activities. directors, management and other personnel, applied in setting the Processes of globalization and increasingly rapid technological company's strategy, designed to identify potential events that could development contribute to this uncertainty. have an effect on company, and manage risk to be within the risk The report aims to show the current state of risk management in appetite, to provide reasonable assurance regarding the achievement Bulgarian enterprises also formulate more substantive issues, and of company objectives" [3]. The term "risk appetite" is a risk that the author's view of what needs to be done to fully improvement of the organization is ready to take to be in line with the strategic and this activity. The report summarized the results of research carried operational objectives to maximize value for stakeholders. Risk out for this purpose in two hundred large industrial enterprises in management in the organization requires the company to have a Bulgaria. This report summarizes information provided by versatile look at risk. respondents who completed Risk Management Survey between More significant basic principles of risk management are: January 2012 and April in 2014. The respondents of this survey are raising awareness of the risk; specific action plans; the lowest risk registered members of Confederation of the Employers and capital requirement; better link between strategy and operations; Industrialists in Bulgaria and they are more managers and effective management and change control; organizational culture practitioners interested in a comprehensive approach to process should encourage an environment that promotes opportunities for management and related concern like risk management. The main managing risks, not eliminating them overall. goal of this survey is to draw picture of the ways that risk Risk management is a process including: development and management is being used in the Bulgarian organizations today and implementation of strategies, identification of risk assessment and the results reflect the perspectives of a broad base of Bulgarian risk measurement, risk responses, testing and risk control, managers interested in. Report offers to reader’s insights into the monitoring, maintenance and continuous improvement . kinds of risk management development efforts currently underway At the consulting practice there is using the framework COSO and the ways their own company’s risk management efforts ERM, which defines the main components offers a common compare with those of other companies. language and provides a clear purpose and direction for risk management in the organization. 2. What is the essence of risk managemen? Eight interrelated components are typical for this framework: internal environment, setting targets, identifying events, risk According to the Deloitte’s definition of risk "The risk is the assessment, risk response, control activities, information, possibility of losses - or reduced profits - caused by factors that may communication and monitoring. [1] adversely affect the achievement of the organization", which according to the authors most accurately expresses its essence. [1]. In summary it can be concluded that the most salient features The concept of risk management has been developed in recent of this framework is as follows: years and has different definitions. According to the experience of - establishes the philosophy of risk management; Marsh key points in the definition of company’s risk management (RM) are as follows: "Basic structured approach that supports the - formed a risk culture within the organization; alignment of strategy with processes, people, technology and - take into account all other aspects concerning how the actions of knowledge to assess and manage the uncertainties that an the organization could affect the risk culture; organization faces while creating value. For this purpose, the organization must be provided with information about the quality - includes the identification of these incidents occur internally or management making decisions in a more effective manner and with externally, which would affect the strategy or achievement of the more confidence".[2]. objectives set out therein; The essence of risk management in the enterprise is built around his pragmatic use as an effective management tool that also be a - examines the way in which internal and external factors combine major boost to increase in value. In contemporary business and interact with each other, and how they influence the risk profile environment, the need for a more comprehensive approach to risk of the company; management that ensures the development of alternative responses - allows an organization to acquire an exact picture to what extent to risks has a major importance. Every business carries risks. the potential events might affect the achievement of objectives; Therefore, risk management is essential for any business process. It prevents foreseeable risks prevents bad investments and reduces - using a combination of qualitative and quantitative risk assessment damage from unforeseen events. Enterprise Risk Management methodologies; (ERM) is a process, which organize and control activities in order to
52 - мanagement identifies, captures the relevant information and share, monopolies and oligopolies are favored in terms of business transmits it in a form and timeframe that enables people to carry out risk because of their ability to influence the product and factor their responsibilities; markets, respectively on prices, production and consumption. Usually the sales and profits of such companies are stable and have - the communication has a broader scope and it is distributed little variation for a certain period of time [10], [11] . Largely, the horizontal and vertical within the organization. business risk is determined by the nature of the activity and It is essential to clarify the concepts associated with a risk specificity of the procedure. Companies from heavy industry and intelligent organization and risk policy. high-tech industries are characterized by high investment absorption. For this kind of business are required huge investment. Risk intelligent organization starts to manage the risk with Market risk is defined as the probability of a reduction in sales determination of the strategic objectives; unfies operations volume due to the adverse impact of market factors - reducing management and risk management; creates links between units; consumption, the emergence of competitors, the emergence of understand the interactions between different risks; manage risks as substitute goods and other market reasons character [7] . We should a daily activity. note that sometimes the loss of sales could be due to reasons Risk policy is a long term action plan consists of guidelines and internal to the enterprise, rather than external (market) factors. Such principles designed to achieve the objectives of risk management. circumstances may include quality deterioration, ineffective Key elements are: goals, risk management vision, risk appetite, risk advertising, improper marketing and pricing policy, etc. Changes in management framework, the risk management process; minimum sales volume greatly influence the amount of cash flows and requirements; roles and responsibilities. [3] financial results, and therefore on the performance indicators and added value. A potential decline in sales will affect the financial What kind of risks are faced industrial enterprises? situation of the company. It is clear that the business risk and In economic theory, regarding the individual company most financial risk are closely related. Not only managers and owners, attention is given to the three main types of risk - investment, but also potential investors (and sometimes business partners and financial and economic risk (business risk).[4] Although they creditors) need information about any changes in sales volume and address different aspects of business, they are closely related and how they would affect the profitability and value of the enterprise. affect complex activities and state of the enterprise. Intercompany risk can be defined as the probability of a Investment risk is the probability that actual cash flows reduction in sales and efficiency due to adverse impact of internal (earnings) of an investment to be lower than expected. The financial company factors. Very often, reducing sales and efficiency due to risk associated with the use of foreign capital in the business. This reasons of internal, rather than external (market) factors. Such is the risk of insolvency and more severe form - failure due to circumstances may include quality deterioration, ineffective accumulation of financial obligations that can not be repaid. advertising, improper marketing and pricing policy, poor Business risk is defined as the possibility of adverse changes in organization of the production process, supply problems, problems market and economic conditions in which the entity operates. These with staff and others. changes directly or indirectly affect the economic fundamentals of Risk in terms of factor markets is associated with any adverse the enterprise, such as sales, revenues, financial results, cash flow, changes in these markets, such as raising the prices of factors of return on capital, economic value added, etc. Business risk includes production (materials, energy, fixed assets, payroll, etc.)., loss of several components: macroeconomic and political risk; industrial suppliers, supply delay, the emergence of deficiency and others. risk; market risk; internal company risk; risk in terms of factor This reflects negatively on the cost of production or services on the markets.[4] Macroeconomic risk is related to the general economic organization and timing of production and sales, and ultimately situation of the country and the business. The significance of this affects profit, added value and performance indicators. Let us risk is determined by the phase of the business cycle, inflation, imagine, for example, industrial company, whose production has a interest rates, trade and tax legislation including Government tax high material consumption (higher share of material costs in the policy, the level of GDP; growth rates, investment, exchange rates, cost price). Rising prices of production materials will significantly foreign trade, balance of payments, unemployment,etc. There has increase the cost of production [7]. Often, however, companies in been a decline in the gross domestic product (production) and this situation can not afford to increase selling prices adequately and investments when the economy is in recession. At the same time, in a timely manner, if there is no competitive advantage since risk unemployment is increased . This inevitably affects the volume of their sales to fall dramatically (at high competition in the industry sales of both consumer and investment goods [5] . In the practice it and high price elasticity of sales). This risk classification is used in is considered that when the decline in production (GDP) remains at research conducted by the authors in two hundred large Bulgarian least six months there is a recession. Stagnation is a prolonged and industrial enterprises. deep recession, which is characterized by massive bankruptcies of companies with uncertain market positions whose financial result is 3. What are the results from the study? highly sensitive to changes in sales volume, ie companies with a high level of business risk. In contrast, under stable economic For settle what is the importance of risk management and how it conditions, sales and financial performance of companies is is being used in the Bulgarian organizations today this survey was constantly increasing. Different types of business and individual held in 200 Bulgarian enterprises between January 2012 and April firms are differently exposed to macroeconomic risks. For example, in 2014. In this case we sent an e-mail to the membership of cyclical companies, ie those companies who are more sensitive to Bulgarian Chamber of Commerce and Confederation of the the macro cycles should have higher beta- coefficients. Such are, for Employers and Industrialists in Bulgaria – CEIBG invited them to example, construction companies and car manufacturers. At the participate in the survey. We had 200 people completed the survey times of crisis, sales of these companies fell dramatically, while in in this period. Partial completes are not included in the tabulations. periods of economic boom sales mark unbelievable growth. In In the charts and tables that follow the survey, some of the totals contrast, companies in the food and tobacco industry [6], [9] for will add to less than 200 because some questions are not relevant to example, are less sensitive to economic conditions and have lower some respondents, or because some questions allowed respondents beta coefficients. to select more than one answer. In addition, total percentages do not Industry risk is related to the status and organization of the always sum to exactly 100% because of rounding, or because the industry, the degree of monopolization and competition, legal and question allowed the respondent to select more than one answer. administrative restrictions [8] in the sector and others. When analyzing the business risk of an enterprise must be given the The respondents were asked to identify the industry in which specifics of the industry and its organization, the market share of the they worked. The categories match those used by Bulgarian company and competition. As a rule, companies with larger market Department of Labor. The largest group (68%) chose
53 “Food/Beverage”, and second largest group is from Financial The first group is the most numerous and covers 40% of the services – 58%. The companies from Food/Beverage industry and managers of establishments that fall into the “Fragmented” maturity from financial services industry is very competitive, generates high level. Characteristics of this stage are: profit margins, and depends on computer systems to support or - uncoordinated activities of risk management; implement its services. Thus, they have always been quick to invest - limited focus on the links between risks; in any new IT hardware or software that might give them a - limited consistency between risk and strategies; competitive advantage. The next largest groups (53%) is in - diverse functions for monitoring and reporting. telecommunications and from the computers/consumer electronics/software industry (48%) and retailing (48%). Most of The second group of participants - 30% are related to "Top-down“ those choosing computers/consumer electronics/software are maturity level , for which is typical: probably in the software area. The problem with this industry group - general framework, program and policy; comes in distinguishing those who are vendors of business process - routine risk assessment; products and services, and those whose companies use BPM - vertical communication about the biggest company risks products to support their internal process work [6]. Other groups are with the top management; as follows: Education -42%, Energy-35%, Light manufacturing – - conscious action; 33%,Business consulting -32% , Travel/Entertainment- 29%, Heavy - formal risk consultations; manufacturing – 19%, Health care/Medical Equipment – 18% and - reliable team. Chemicals- 14%. The largest group (23%) chose “Other”, and most of those identified their industry as consulting. The third group includes 20% of managers of industrial enterprises who have the lowest level of maturity - "Unaware", characterized Questions in the questionnaire and interview with managers of by: companies are focused on exploring the capabilities of risk - chaos and management in the enterprise. For this purpose we used COSO - individual qualities and abilities. scheme to assess the level of "maturity" in risk management. Fig. 1. The first question of the survey is related to the development of To the fourth stage of maturity level "Systematic" belong 5% of the a risk management strategy in the enterprise. 60% of respondents interviewed managers. Its distinctive features are: answered negatively, 30% say they have developed such a strategy, - coordinated action to manage the risk between the units; while 10% say that they are in a stage of preparation for strategy - risk appetite is clearly defined; development. The next part of questions are directed to the eight - the risk is observed, measured and recorded throughout components of the framework COSO ERM - internal environment, the company; setting objectives, identifying events, risk assessment, risk response, - contingency plans; control activities, information and communication and monitoring. - risk management trainings. Analysis of the results from the study allows to divide survey participants into five groups according to the scheme of assessment To the fifth stage of maturity level so called "Risk intelligent" "maturity" level in risk management. 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]
Fig. 1 Stages of Risk Management Capability Maturity [3]
54 4. Conclusion the global economic crisis, Scientific conference with international The main question is “What needs to be done to improve risk participation "TechSys 2013", 2013 management in Bulgarian enterprises”? [10] Nikolova N., T.Penev, L.Dimitrov, A classification of risk 1. Deep understanding of the overall framework for risk management methods in complex electrotechnical systems, management. European International Journal of Science and Technology, Vol.2, 2. Clear allocation of responsibilities for risk management in the № 6, July 2013, p.217-225 (ISSN 2304-9693) enterprise. [11] Nikolova N., T.Penev, L.Dimitrov, Conceptual Model of Risk- 3. Implementation of risk management as an integral part of the Management in complex Energy Systems, International Journal of enterprise’s organizational activities . Business, Humanities and Technology, Vol.3, № 8, December 2013, p.85-98 (ISSN 2162-1357 – print; ISSN 2162-1381 – online) 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
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 According to VDI guideline 3404 nine generative As the field of Rapid Prototyping has been growing quickly manufacturing methods can be distinguished in total: [3] during the past few years, several definitions for Rapid Prototyping are known. Also the term of 3D-printing is often used across the • Stereolithography board and is seldom clearly defined. If one takes a closer look at the field, these circumstances increase the risk of confusion. Especially • Laser sintering and electron beam melting the use of the term 3D-printing as an umbrella term is crucial in this • Fused layer modeling (Fused deposition modeling) regard. Therefore as a precaution the most important terms of the field are defined and classified before going deeper into the topic. • Multi-Jet modeling Besides the major generative and conventional Rapid Prototyping methods, which are the essential basic tools in prototyping, are • Poly-Jet modeling presented. • 3D-Printing Connected to the quick advancement of Rapid Prototyping • Layer Laminated Manufacturing possibilities is also the so called Fab Lab movement. Its main ambition is to simplify prototyping and enable more and more • Mask sintering people all over the world the possibility to manufacture their individual items themselves. The worldwide exchange of • Digital light processing prototyping and manufacturing knowledge is only one benefit that A description of each method would go beyond the scope of is generated when being part of the network. As there exists a this paper. Therefore the focus is on the three major ones, which are course called “Product Innovation Project” at Graz University of stereolithography, laser sintering / electron beam melting and fused Technology, which deals with the development of prototypes, the layer modeling (fused deposition modeling). [3] establishment of a new Fab Lab made perfect sense. The company “3D System” introduced Stereolithography in In the second part of this paper the Fab Lab movement, the new 1987. It is known as the oldest generative manufacturing method. Fab Lab in Graz and its application within the “Product Innovation [3] The principle of stereolithography is the layer by layer Project” course will be described in detail. solidification of fluid or pasty monomers through polymerization. Within the group of stereolithography several different sub-methods 2. Rapid Prototyping can be distinguished. Whereof the laser-scanner-stereolithography The term Rapid Prototyping stands for an application of the can be seen as the prime father in case of industrial used rapid generative manufacturing methods. These methods are based on the prototyping processes. [4] The necessity of supporting structures layering principle, which implies that an object is made up of plenty and the poor thermal and mechanical resilience of the objects of thin layers. [1] In numerous steps the layers of material are added produced are offset by the high level of detail and the achievable onto each other and an energy source ensures that they get adhered refinement of their surface. [5] and hardened. The layer material can either be in powder form, In the early 1990s the generative sintering was known as laser fluid or in hard condition. The major advantage of these methods sintering due to the fact that all common systems used a laser as compared to conventional ones is that there are hardly constraints energy source. Nowadays machines using an electron beam or concerning the shape of the desired object. [2] infrared radiator for the fusion and solidification of the layers are Beside other applications like Rapid Tooling, which stands for frequently used too. The basic raw materials are densely packed and the fabrication of moulds, tools and equipment for production precompressed powder particles out of metal, ceramic or resin- processes, Rapid Prototyping is defined as the fabrication of models bonded sand. These particles get fused by the energy source and so and prototypes without product character. When custom-specific layer by layer the object is built up. [6] Although there are basically final products are produced in individual or small series the no supporting structures needed because of the supporting effect of application is called Rapid Manufacturing. On the contrary Additive the solid raw material, however they are often used to ensure a good Manufacturing describes the application of generative methods in heat dissipation to prevent warping of the metal material. [7] case of serial production. [1] 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 manufacturing tools, so that they are able to produce their own fused deposition modeling method. In most of the applications ABS things. As long as commercial activities of the users do not interfere or PLA plastic filaments are used as basic raw material. By passing with the access of others, they are tolerated. [14] a heated nozzle the temperature of the filament rises close to the melting point of its material. Once the filament is pasty it’s There are four main criteria that have to be fulfilled to start a deposited onto the previous layer. Through heat conduction the Fab Lab. First of all the lab should be accessible free of charge for material cools down, fuses with the prior layer and hardens everyone at least once a week. Secondly the Fab Charter, which immediately afterwards. Although the surface quality is often quite states the principles of the Fab Lab movement, has to be published poor and overhanging sections of the objects require supporting on site and on the web page of the lab. Furthermore all labs should structure, the method is quite popular because of its low costs and be equipped with the same basic tools to ensure the exchangeability office suitability. [9] of designs, knowledge and the reproducibility across borders. In addition the support of other labs and a contribution to the Fab Lab Another generative method is called 3D-printing. Although it community is expected. [15] only represents one of the nine generative manufacturing methods, it is more and more used as an umbrella term for all of them. Nowadays the Fab Lab movement is spreading rapidly all over Obviously this can easily cause confusion. Therefore it is essential the world and currently there are already more than 330 Fab Labs to use the correct terms while working professionally in this field. registered. [15] At the Institute of Production Science and [10] Management of Graz University of Technology the second Fab Lab in Austria has been built up in the last few months. The equipment After all prototyping doesn’t necessarily have to be done by had been well chosen according to the guidelines of the MIT. These using one of the named generative methods. There are also already mentioned common equipment includes a computer- possibilities to build up prototypes with conventional manufacturing controlled laser cutter, a plotter cutter, several programming tools, a techniques like a CNC-milling or laser cutting. [11] While laser precision milling machine and also a numerically-controlled milling cutting is suitable for building up prototypes out of piled thin layers machine. [16] Although there are a lot of commonalities among the and is commonly used in architecture, prototyping with CNC- different Fab Labs, every lab still has its own identity. Slight milling can be very challenging especially if the structure of the differences regarding the services and tools which are provided in desired object is complex. The achievable excellent accuracy is the labs and the various user groups determine these identities. offset by the constraints regarding the accessibility of narrow and angled areas of the object. Clever combinations of generative and Based on our own experience an extension of the provided tools cutting processes offer great potential. Through using the generative towards a 3D-printer makes the most sense. Therefore at the Fab manufacturing methods to build the object there are hardly Lab at the Institute of PSM additionally a 3D-printer named “3D limitations regarding the shape of the object. Refining it afterwards Touch” is available. Furthermore the required basic tools as a by using cutting methods, enables the achievement of excellent MDX-540 SA precision milling machine from Roland, a CAMM-1 accuracy and surface quality. [12] Servo GX-24 plotter cutter from Roland and a VLS 3.50 laser cutter from Universal Laser Systems are provided. Although there is only Prototyping with all of these methods requires a 3D-CAD- limited space, additionally a sand blaster, a computer workstation, a model as a starting point. This can either be designed by using workbench and some electrical tools are available. Basically the lab common CAD-software or, if the object already exists, it can be can be used by all students of the University and once a week also scanned through using a 3D-scanner. The technology of 3D- by external visitors. The main target group consists of students who scanning is advancing rapidly in the past few years. Beside are participating the course “Product Innovation Project”. applications in different fields like medicine, historic preservation or the packaging industry, it is also widely used for quality 4. Rapid Prototyping in University Education – assurance and digital archiving of prototypes. [13] Especially the The Product Innovation Project technology of desktop-3D-scanning is emerging hand in hand with office suitable 3D-printers. The course "Product Innovation Project" was founded in 2006. The main idea is to bring students of different fields of study Basically contact and non-contact 3D-scanning methods can be together to work on projects and develop new products. The distinguished. As in desktop-3D-scanning the disadvantages like the students have to work as a team to be able to create a solution to high costs, the low speed and big effort of the contact based fulfill complex product development tasks. The outputs of the methods outweigh the achievable accuracy of the scans, the focus is course are working prototypes. Key elements of organizational on non-contact methods. The most common methods used in framework of “Product Innovation Project” are interdisciplinary, desktop-3D-scanning are triangulation-based laser-scanning, intercultural and international student teams. It shall impart the structured light technology and photogrammetry. holistic view on the product development process, from idea At the moment the uprising competition among these 3D- generation until the market introduction. An adequate budget – paid scanner devices has been pushing down the prices to a few hundred by the industrial partners – allows the manufacturing of a working Euros. It is very difficult to maintain the overview of the market as prototype in workshops like a maker space. there are new solutions brought to the market frequently. One of the “Product Innovation Project” splits up the innovation process in latest trends is the combination of these desktop-3D-scanners and a way that the process steps are carried out by different executing the already above mentioned 3D-printers in one device. parties according to their strengths and weaknesses. Whereas These emerging technologies around 3D-printing and 3D- university acts as a host for the project preparation, organization scanning for home users are revolutionizing the way Rapid and contributes its specific technical know-how and facilities, the Prototyping laboratories look like. They offer new possibilities and main actors in the actual innovation process are the student teams. are reducing the effort to build a complexity prototype. One future The industrial partners cover the very first (the strategic decision of trend of these Rapid Prototyping laboratories, also called maker “what and how to innovate”) as well as the very last phase in the spaces, is a Fab Lab. process (refinement, production, and market introduction). The teams of students intermediate carry out the phases from idea 3. Fab Lab – A Maker Space generation until the preparation of a working prototype and a product concept, as seen in Fig. 1. [17] 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
57 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. Fig. 1 Integration of “Product Innovation Project“ into the innovation process according to [17] [8] A. Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren 3.Auflage, Erkelenz/Düsseldorf: Carl Hanser, 2007, p. 122. In past periods of the project, it was recognizable that in [9] P. Fastermann, 3D-Druck/Rapid Prototyping, Düsseldorf: addition to support provided by the industrial partners, the student Springer, 2012, p. 120. teams are willing to make various different prototypes on their own [10] A. H. Fritz und G. Schulze, Fertigungstechnik 10.Auflage, instead of hiring a contract manufacturer. But this was not possible Berlin: Springer, 2012, p. 112. due to an inexistent small fabrication laboratory. While analyzing [11] M. F. Zäh, Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien, the product development process, it’s worth noting that it is not only München: Carl Hanser, 2006, p. 10. necessary to have maker equipment in phase VII and VIII, where [12] M. F. Zäh, Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien, the students put all effort on the development and realization of the München: Carl Hanser, 2006, p. 80f. working prototypes. Especially in the phase II, IV and V a fast and uncomplicated access to manufacturing machines is essential. [13] P. Fastermann, 3D-Druck/Rapid Prototyping, Düsseldorf: Students can generate far more ideas or rough product concepts Springer, 2012, p. 54. when virtual 3D models are transformed in physically existing [14] P. Fastermann, 3D-Druck/Rapid Prototyping, Düsseldorf: prototypes. Experience shows that often only these prototypes allow Springer, 2012, p. 49. proper evaluation of product size, materials and other important [15] fabfoundation.org, „fabfoundation.org,“ 17 6 2014. [Online]. product attributes. Early prototyping as well as detailed research on Available: http://www.fabfoundation.org/fab-labs/. [access the available solutions, their advantages and possible problems, date 17 6 2014]. their stage of maturity (research stage or available on the market) are the basis for an outstanding result and a small fabrication [16] fab.cba.mit.edu, „fab.cba.mit.edu,“ 1 7 2014. [Online]. laboratory provides the right tools. Available: http://fab.cba.mit.edu/about/faq/ . [access date 1 7 2014]. In addition, cooperation between the stakeholder groups can [17] M. Fallast, H. Oberschmid, "Product Innovation Project" - a provide benefits for each of them, like hands on experience for novel interdisciplinary student project, in Advances In students in a product development project, additional funding and Production Engineering & Management, Maribor, 2009. 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.
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 Factors Optimization of . Carbon footprint the design . Water Eutrophication Furniture made of cardboard are ecologically clean, cheap and criteria and . Air Acidification allow a construction of design with complex geometry of design, standards . Total Energy ergonomics and wide application in various aspects of daily life, Consumed interior and exterior. They may have functional value and art direction. For furniture made of cardboard new and/or already Market . Environme . Material recycled materials can be used that contribute to the saving of nt . Production timber (environmental and green protection), water saving (up to . Equity / . Transportation 99%), energy (up to 50%) and removal of waste (up to 90%) [1 - 3]. Society Distribution A very important point is the usefulness of the cardboard material . Economy (LCA) 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 The design of furniture from cardboard passes through ESW advanced technological means of Dassault System SolidWorks cycle (Fig. 1). The stages of the process support the optimization Sustainable [4, 5]. It allows analyzing the ecological impact on the design based on specific features separated by criteria which environment of already constructed in SolidWorks CAD medium contribute to the precise design from the conceptual idea to the 3D models of furniture and optimizes their design compared to finished product and its quality evaluation by SolidWorks global environmental standards. Optimizing the process of creating Sustainable technological mean. 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 Fig.1. Ecodesign Strategies Wheel [1, 4, 9] CREATION SUSTAINABLE DESIGN OF CARDBOARD
FURNITURE Using the methodology (Table 1) to create cardboard furniture PLM SolidWorks and ESW cycle there have been developed variations of Sustainable ergonomically streamlined design of interior and exterior furniture - Technological CAD/CAM Part, Assemblies and chairs and table. Their design is fully optimized in terms of material way of making Drawings Design and strength. Constructive appropriate options are selected of cardboard assembling in important areas providing stability. The thickness of a furniture single sheet of cardboard is 7mm. The specific points, where are the Opportunities to CAE / empirical Database / in real time supporting parts, are connected by three (7mm corrugated paper), study the quality real tests internet analysis providing the necessary reliability of the structure (Fig. 2). of the material
59 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 (а) 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 Train Train Transportation:
Table 3. Environmental impact
ENVIRONMENTAL ECOSEAT ECOTABLE (b) IMPACT
Carbon Footprint 3.50 kg CO2 4.09 kg CO2
Fig. 2. Dimensions of the models (a) ECOSEAT and Water Eutrophication 9.33E-3 kg PO4 0.01 kg PO4 (b)ECOTABLE Air Acidification 0.02 kg SO2 0.03 kg SO2 Total Energy 109.51 MJ 128.03 MJ The concept of using eco furniture from cardboard implies the Consumed right atmosphere and setting. An exemplary application of the resulting patterns in the interior environment is shown in Fig. 3. 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. Fig. 3. Models of interior cardboard furniture [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