Текст книги "Знакомьтесь, информационные технологии"

Практически все сложные технологические процессы в настоящее время управляются компьютерами. Эта область применения информационных технологий меньше всего известна за пределами непосредственно предприятий. Применение в химической, металлургической и других отраслях промышленности компьютерного управления позволило оптимизировать параметры процессов, протекающих в оборудовании. Одновременно сократились затраты на освоение и время внедрения новых процессов.

Вот как организовано управление прокатным станом. Через его валки проходит стальной лист, нагретый до нескольких сотен градусов. Скорость движения листа весом в несколько тонн – больше 10 км/ч. Толщина листа должна выдерживаться на всей его ширине. Лист катается несколько раз, и каждый раз валки слегка сжимаются, уменьшая зазор (и толщину листа). Нельзя слишком близко соединять валки – это приведет к очень сильному сжатию листа и может вызвать поломку стана. Нельзя оставлять слишком большой зазор – это приведет к нарушению технологического процесса. Движением всех элементов стана непрерывно управляет компьютер, получающий данные от множества датчиков, размещенных в узлах стана. Компьютер приводит в действие и управляющие механизмы стана. Эти и другие требования к современному машиностроению могут быть реализованы только с помощью компьютерной техники и программного управления.

Но компьютеры используются не только для управления технологическим процессом в тяжелой промышленности. Уже несколько лет для раскроя ткани на швейных фабриках используются программы, обеспечивающие оптимальный (безотходный) раскрой ткани. При этом из одного рулона ткани кроятся все детали изготавливаемой одежды (рубахи, платья или пальто) всех размеров. Программа позволяет минимизировать зазоры между элементами. Сегодня эти программы начинают устанавливать и на домашние швейные машинки[54]54
  Подробнее об этом можно прочитать в разд. «…и компьютер превращается, превращается, превращается…» гл. 2.


[Закрыть].

Применяется программное управление и в пищевой промышленности. После второй мировой войны японцы познакомились с пшеничным хлебом (до войны, вернее, до оккупации Японии, японцы обходились без хлеба). Больше всего им понравились французские круассаны – булочки из слоеного теста, которые французы привыкли есть по утрам. В Японии была создана автоматическая линия по выпечке 6 тысяч круассанов в час (сто штук за одну минуту). Эта линия автоматически замешивает тесто, дает ему «подойти», формирует булочки, помещает в них начинку и выпекает круассаны. Человек только задает размер (долю) начинки. Все остальное делается автоматически. Линия сама контролирует параметры теста и выпечки, тем самым, обеспечивая получение наилучших круассанов.

Можно сказать, что сегодня нет такой отрасли производства, которая не могла бы быть автоматизирована. Полный переход на автоматическое управление производственными процессами сдерживается финансовыми ограничениями – пока еще на многих процессах человеческий труд дешевле, чем автоматизация.

Проектирование любого изделия – это процесс обработки информации. В результате проектирования готовится проектная и конструкторская документация, по которой ведется изготовление изделия на производстве. Естественно, документация, как любая информация, может быть представлена в различной форме: в бумажной (чертежи, схемы, описания, расчеты), в натурной (макеты) или электронной (в памяти компьютера). Сегодня проектирование практически всех сложных устройств (самолетов, автомобилей[55]55
  В разд. «Единая экономика – „старая“ и „новая“ " гл. 1 описано проектирование автомобиля компании Ford, проведенное только в электронной форме.


[Закрыть], судов, зданий, информационных приборов и т. д.) ведется в электронной форме.

Для проектирования созданы системы автоматизированного проектирования (САПР, или CAD – computer-aided design – проектирование с применением компьютера). Наиболее известные системы:

• AutoCAD, Autodesk – для проектирования изделий машиностроения;

• АгСоп – для архитекторов и дизайнеров;

• PCAD – для проектирования электронных устройств.

Для разработки особо сложных комплексов (например, аэрокосмических систем) используются так называемые «тяжелые» системы, такие как разрабатываются компанией Unigraphics. Так, в НПО «Сатурн», которое разрабатывает и производит самолетные и ракетные двигатели, установлено более 100 рабочих мест проектировщиков с САПР от Unigraphics.

Кроме этих систем, разработаны и активно применяются также программы анализа различных процессов, необходимых для проектирования. Вот некоторые из них:

• ANSYS (ANSYS, Inc.) – программа статического и динамического анализа конструкций, решения стационарных и нестационарных задач теплофизики, гидро– и газодинамики, электромагнитного поля, акустики, усталости и др.;

• LS-DYNA3D (LSTC, Livermore Software Technology Corporation) – программа анализа быстротекущих процессов (например, столкновение автомобилей, задачи формования и пр.), сверхпластических деформирований, разрушений и др.;

• eta/DYNAFORM (ETA, Engineering Technologies Associates) – программа для моделирования процессов глубокой листовой штамповки-вытяжки, а также проката листового, профильного и гидроформования;

• FASTFORM3D (FTI, Forming Technologies Inc.) – программа для оценки штампуемости изделий из листовых материалов на ранних этапах проектирования;

• ADAMS (MDI, Mechanical Dynamics Inc.) – программа расчета динамики и кинематики механических систем (механизмов) произвольного вида;

• STAR-CD (CD, Computational Dynamics) – программа для решения задач механики жидкостей и газов;

• AutoS ЕА – программа расчета распространения акустического шума и вибрации в конструкции.

Такие программы позволяют не только существенно сократить сроки разработки новых изделий, но и качественно более быстро организовать выпуск опытных, а затем и серийных образцов. При этом также значительно сокращаются и сроки проведения модернизации уже выпускаемых изделий.

Комплекс автоматизации проектирования включает не только программы, но и аппаратные средства. Как правило, рабочие станции, на которых непосредственно ведется конструирование, используют компьютеры Macintosh или Silicon Graphics[56]56
  Подробнее об этих компьютерах можно прочитать в разд. «Микропроцессоры – невидимые труженики» гл. 2.


[Закрыть]. Эти компьютеры позволяют наиболее эффективно обрабатывать графические объекты. Для систем необходимы также мощные сервера, в памяти которых находятся данные по всем комплектующим, сборкам и т. д.

Созданная конструкторская документация может передаваться в станки с программным управлением сразу же после окончания проектирования по локальной вычислительной сети предприятия или предварительно записываться на внешний носитель (перфоленту или магнитную дискету), с которого информация считывается непосредственно в станке.

Таким образом, между проектированием и началом выпуска изделий отсутствует временной период. При традиционных методах проектирования и производства необходимо было провести подготовку оборудования для производства новых изделий. А это требовало значительного времени.

Производственное предприятие – сложный комплекс с множеством взаимосвязанных материальных, трудовых и финансовых потоков. Управление предприятием требует обработки больших объемов информации. Естественно, на основе компьютеров начали создаваться системы, используемые для обработки этой информации и для комплексного управления ресурсами предприятий. Такие системы получили общее название корпоративных информационных систем (КИС). Среди многих компаний, занятых разработкой КИС, можно выделить следующие: SAP (система R/3), Oracle (Oracle Applications), Ваап. Созданные системы могут настраиваться в соответствии с требованиями тех предприятий, на которых они устанавливаются. В результате эти системы создаются как универсальные многопрофильные, т. е. достаточно дорогие и сложные в установке и администрировании. Как следствие, дорогие полнофункциональные версии систем указанных фирм устанавливаются на крупных предприятиях[57]57
  Понятие «крупное предприятие» в России и в развитых странах существенно отличается. В России – крупным предприятием считается то, на котором работает более 10–20 тысяч человек. Такие имеются только в нефтедобыче и в металлургии. В мире крупными компаниями считаются предприятия с числом сотрудников не менее 100 тысяч человек, такие как IBM, Boeing, Ford.


[Закрыть], имеющих множество филиалов и отделений в разных странах. Мощные системы могут эффективно работать с огромными потоками информации, характерными для крупных корпораций.

До 90-х годов практически на всех советских предприятиях были созданы автоматизированные системы управления предприятием (АСУП), которые, в основном, позволяли собирать статистические данные о результатах работы предприятия за определенный период (месяц, квартал, год). Подготовленные данные, как правило, не позволяли вести оперативный анализ и составлять надежный прогноз деятельности предприятия. Надо сказать, что реальной потребности в таком анализе и прогнозе не было, ибо предприятия действовали не в условиях рынка. Программное обеспечение для управления предприятиями появилось в России к середине 90-х годов, когда в стране началось формирование рыночных отношений. В это время появились первые российские разработки и решения зарубежных компаний. Из числа поставщиков корпоративных информационных систем можно указать следующие российские фирмы: «Парус», «АйТи», «Галактика», «Никос-Софт», «Цефей», TopS, IBS и др.

Развитие бизнеса требует повышения уровня информационного обеспечения предприятий. Современные информационные системы связаны с реальным бизнесом предприятий. Поэтому формальные технические и технологические характеристики систем часто не позволяют сохранить принятые на предприятии организационные и финансовые процессы. Внедрение системы часто влечет за собой реорганизацию бизнес-процессов и системы управления предприятий. Как следствие, ставится задача оптимального выбора КИС (контрольно-измерительной системы), позволяющей автоматизировать необходимые функции и бизнес-процессы.

Можно выделить следующие основные требования, предъявляемые предприятием к КИС:

• полнота функциональных возможностей;

• уровень реализации функциональных модулей;

• влияние системы на бизнес-процессы предприятия;

• эффективность использования системы на предприятии;

• стоимость и продолжительность внедрения.

Сегодня все большую роль играют такие характеристики КИС, как возможность интеграции с зарубежными системами, удовлетворение специфических потребностей заказчика, гибкость и масштабируемость системы и т. п.

Российский рынок КИС сейчас разделен между западными и российскими системами не по отраслевому признаку, а по величине предприятий. Большинство пользователей мощных западных КИС – это крупные отечественные предприятия нефтегазовой отрасли, тяжелой промышленности, машиностроения и т. п. При выборе корпоративной системы управления эти компании заинтересованы в оптимизации бизнес-функций и, как правило, готовы к большим затратам на лицензии и внедрение[58]58
  Сам факт внедрения КИС от крупного западного разработчика может увеличить рыночную стоимость и привлекательность предприятия для инвесторов.


[Закрыть].

В последние годы на российский рынок вышло несколько западных разработчиков, ориентированных на поставку решений для предприятий среднего бизнеса. При этом многие российские разработчики значительно увеличили функциональный состав своих систем, что позволило им выйти на рынок средних компаний.

Сегодня все более широко внедряются комплексные системы проектирования и управления производством – CAD/CAM. Их создание позволяет полностью автоматизировать процесс разработки и изготовления изделия. При таком построении предприятие представляет собой вычислительную сеть, к которой подключены рабочие места проектировщиков и станки с программным управлением. Центром такой сети будет сервер, в котором хранятся все данные о деталях устройства как спроектированные, так и полученные от поставщиков.

Естественно в состав предприятия должен входить и автоматизированный склад[59]59
  Об автоматизации склада написано в разд. «Торговля – тоже обмен информацией " данной главы.


[Закрыть], из которого комплектующие подаются в цеха. На склад же поступает и готовая продукция. Со склада ее получают покупатели.

Дальнейшим развитием систем автоматизации предприятия является интеграция CAD/CAM с корпоративными информационными системами. В таких интегрированных системах проводится не только автоматическое проектирование и производство, но и управление. Оперативная система учета позволяет в реальном времени отслеживать все этапы производства, контролировать запасы, полуфабрикаты и готовую продукцию. Естественно, на таком предприятии достаточно просто организовать производство индивидуальных изделий, ориентированных на удовлетворение требований покупателя.

Следует учесть, что на любом производственном предприятии работает значительный штат ремонтников, которые поддерживают станки и другое оборудование в рабочем состоянии. Их работа отличается от труда остальных рабочих: они каждый раз решают нестандартную задачу, отыскивая неисправность в станке и предлагая решение для ее устранения. Здесь отсутствуют прямые указания (как в документации при изготовлении нового изделия) на проводимые работы.

Однако ремонтные работы на станках с программным управлением значительно более простые, чем на старых традиционных станках – микрокомпьютер, встроенный в станок, проводит тестирование и сообщает об обнаруженных неисправностях. Сегодня полноценное автоматическое тестирование проводится на ракетной и авиационной технике, а также в других сложных системах. В мощных серверах реализованы, по-видимому, самые совершенные системы тестирования и восстановления его работы. В этих компьютерах постоянно ведется контроль состояния всех узлов, и в случае неисправности одного из них узел отключается, а его функции передаются на другие узлы (при некоторой потери производительности сервера в целом). Одновременно компьютер сообщает (по e-mail или по сотовой связи) о неисправности – не только о факте неисправности, но и о конкретном неисправном узле. Конструкция таких серверов позволяет проводить замену практически всех его узлов без остановки работы.

Сегодня аналогичные методы обнаружения неисправностей внедряются в различные устройства с программным (компьютерным) управлением. Это значит, что уже в ближайшем будущем станок сможет сам сообщить о своих неисправностях, что существенно упрощает его дальнейший ремонт. Но и ремонт может проводиться без участия человека. Американские разработчики уже продемонстрировали первую, полностью самовоспроизводящуюся робототехническую систему. Это устройство может автономно производить небольших роботов размером до 20x20x30 см. Хотя получающиеся роботы и похожи на игрушки, они вполне работоспособны. По словам профессора Джордана Поллака из университета Брэвдис, штат Массачусетс, одного из создателей этой системы, она может быть использована для серийного производства робототехнических систем специализированного назначения, например сборочных роботов, систем очистки и т. д. Отсутствие человека в технологическом процессе позволит значительно снизить себестоимость продукции. Эти роботы могут также проводить ремонт неисправных станков[60]60
  Такие роботы могут работать и дома, создавая для хозяина механических помощников, выполняющих необходимые именно в данном доме функции.


[Закрыть].

* * *

Уже работающие программные и аппаратные системы позволяют сегодня создать полностью автоматическое производственное предприятие. Массовое внедрение «размножающихся» роботов означает практически полное устранение человека из многих сфер производства. Тогда для организации производства необходимы будут денежные средства (инвестиции) и новые технические идеи, которые генерируют инженеры. А рабочих на таком предприятии не будет.

Компьютер повышает урожай

Сегодня на Земле живет более 6 млрд. человек. И хотя часть землян голодает, но абсолютное большинство– накормлено. И одето. Даже Китай и Индия, в которых живут более 2 млрд. человек, не только сами себя кормят, но и экспортируют продовольствие. Только Африка, с относительно низкой плотностью населения и огромными потенциальными возможностями по выращиванию различных растений и разведению скота, не может обеспечить себя едой. Можно с уверенностью констатировать, что именно информационные технологии обеспечили стремительное развитие сельскохозяйственного производства во второй половине XX века. Только там, где информационные системы оказались неразвитыми, там и в начале XXI века – голод.

В начале XIX века английский экономист Мальтус выдвинул теорию, что на Земле может жить ограниченное число людей. В соответствии с этой теорией природные ресурсы Земли не смогут обеспечить едой постоянно увеличивающееся население планеты. В то время оно составляло немногим более 1 млрд. человек! Базисом для теории Мальтуса служили реальные объективные данные производительности труда, особенно в сельском хозяйстве. Легко было сосчитать, сколько человек можно накормить при максимально большой посевной площади Земли. Теория Мальтуса оказала огромное влияние на развитие экономической науки XIX–XX веков, и многие ученые были с ней согласны. Так, Циолковский разработал теорию космических полетов как возможность разрешения проблемы перенаселенности Земли.

С тех пор население планеты выросло почти в шесть раз, а объем производства сельскохозяйственных продуктов вырос гораздо больше. Особенно значительный рост производства наблюдался со второй половины XX века в развитых странах. Так, в Западной Европе за одно десятилетие – с 1975 по 1985 год – производство сельскохозяйственной продукции увеличилось столь значительно, что страны «Общего рынка» превратились из импортеров в крупных экспортеров продуктов питания. Так, в 2000 году экспорт продукции сельского хозяйства странами Евросоюза составил 230,1 млрд. долларов – этот регион стал крупнейшим в мире экспортером продукции сельского хозяйства. При этом площадь сельскохозяйственных угодий сократилась, а население выросло. Рост продуктивности сельского хозяйства вынудил принять государственные программы ограничения производства продукции. Так, во Франции введены квоты на продажу фермерами молока в зависимости от размера фермерского хозяйства. В США за период с 1947 по 1987 год рост производства в сельском хозяйстве составил 85 %. Это означало, что в 1947 году один фермер мог накормить только 14 человек, а в 1987 году – уже 96 человек.

После того как в Китае к началу XXI века стали развиваться информационные технологии, изменилось и положение с сельским хозяйством. «Зеленая революция» 70-х годов позволила стране накормить свое огромное население. А 2001 год стал рекордным по производству основного продукта питания китайцев – риса. Его было произведено так много, что съесть весь рис миллиардное население Китая не может. Поэтому из риса стали делать автомобильное и ракетное топливо. Осенью 2001 года в Китае была запущена ракета на «рисовом» топливе.

Столь мощный прирост производства продуктов питания связан с различными программами научных исследований в сельском хозяйстве, финансируемыми государством. Иными словами, все общество профинансировало научные исследования, которые затем (с помощью государственных экспертов) были внедрены фермерами. Собственно и сама «зеленая революция» стала результатом реализации нескольких крупных научных программ, позволивших создать новые сорта растений, в том числе низкорослые сорта пшеницы и риса. Эти сорта гораздо более продуктивны, не полегают, проще убираются. А разработаны они были, во многом, за счет моделирования на мощных компьютерах.

Можно сказать, что на Земле еще имеется достаточный потенциал по производству сельскохозяйственных продуктов. Земля сможет прокормить гораздо больше, чем 6 млрд. сегодняшних жителей. Необходимо только, чтобы и в других странах производительность труда в сельском хозяйстве также поднялась до уровня развитых стран.

Земледелие и сегодня остается одним из наименее устойчивых производств – слишком велика зависимость урожая от погодных условий. Даже в США, где в обустройство земли вложены огромные средства (более 1 млн. долларов на каждый гектар пашни), сильные засухи регулярно губят урожай. И это притом, что поля подключены к системам искусственного орошения. В других частях мира ситуация еще хуже: холодное лето (как во многих частях России), избыток или недостаток влаги (что характерно для многих стран с теплым климатом). Иными словами, климатические условия и сегодня еще остаются одним из главных факторов, определяющих урожай.

Полностью исключить влияние природных условий на урожай нельзя, но сократить можно. Для этого на поля подводится вода, прокладываются дренажные трубы. К сожалению, там, где температурные условия благоприятны для растениеводства, воды не хватает. Это верно как для России (Заволжье, Северный Кавказ, Черноземье), так и для стран Европы, Северной Америки, Австралии, Ближнего и Среднего Востока, Северной Африки. А там, где воды с избытком, мало солнца, например в Сибири. Поэтому проблема орошения остро стоит для большинства стран – производителей зерна. Надо отметить, что вода – дорогое и дефицитное сырье, требующее рационального использования. Поэтому вопрос организации оптимального полива сегодня один из самых актуальных для сельского хозяйства.

Во Франции фермер может заключить договор на предоставление информации об уровне влаги на полях. Расположение полей может быть произвольным. Мониторинг полей проводится с разведывательных спутников, которые пролетают над любой точкой Франции каждые 45 минут. В зависимости от цвета растений определяется уровень влаги в них. Эти данные передаются в наземный центр, из которого они уже по электронной почте поступают на компьютеры тех фермеров, которые оплатили эту услугу.

Таким образом, фермер каждые 45 минут получает информацию, позволяющую ему своевременно принять решение о необходимости полива. Если надо, можно пустить воду на поля. Естественно, необходимо оплатить воду. Информация об уровне влажности, конечно, стоит денег, но эти расходы окупаются за счет минимизации расхода воды. Информационные технологии в данном случае позволяют также существенно экономить воду, что принципиально важно и для экологии.