Функциональная и информационная модель автоматизированной системы прогнозирования структуры и свойств в алюминиевых сплавах

Раздел 3.  Информационные технологии в современной металлургии 
 

193

РАЗДЕЛ  3.   ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В 

СОВРЕМЕННОЙ МЕТАЛЛУРГИИ 

 

УДК 004.9 
DOI 10.12737/8158 

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ 

АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ  

СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ  В АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ 

Галкин Виктор Иванович (профессор, д.т.н.) 

Вейнгерова Екатерина Дмитриевна (доцент, к.т.н.) 

Преображенский Евгений Владимирович (доцент, к.т.н.) 

ФГБОУ ВПО  "МАТИ – Российский  государственный  

технологический университет   имени  К.Э. Циолковского" 

121552, г. Москва,  Оршанская ул., д.3, тел. (499) 141-94-53.  Е-mail: tomd@mati.ru 

 

В статье рассмотрены вопросы создания информационных моделей, рассмат
риваются особенности классификации информации и основные требования, предъяв
ляемые к информационным моделям. Представлены основные положения технологии 

IDEF1, используемой при информационном моделировании. Показаны функциональная 

и информационная модели автоматизированной системы, предназначенной для про
гнозирования структуры и свойств алюминиевых сплавов. 

 

Информационная модель - модель объекта, представленная в виде 

информации, описывающей существенные для данного рассмотрения па
раметры и переменные величины объекта, связи между ними, входы и вы
ходы объекта, и позволяющая путем подачи на модель информации об из
менениях входных величин моделировать возможные состояния объекта.  

В нашем случае объектом исследования являются алюминиевые материа
лы, для которых будут прогнозировать металлографическая структура и 

свойства.  

Информационная модель – это интегрированная база данных об объ
екте реального мира. Содержит паспорта объектов, архив документации и 

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

194

другую информацию по ним в структурированном и взаимосвязанном ви
де.   Для построения информационной модели необходимо в первую оче
редь провести анализ предметной области. В ходе этого анализа выявля
ются информационные потребности всей совокупности будущей автомати
зированной системы, которые  в свою очередь предопределяют содержа
ние ее базы данных. Таким образом, информационная модель состоит из 

взаимосвязанных информационных объектов.  

Информация, представленная в информационной модели, должна 

быть структурирована. Способы структурирования информации, её клас
сификация зависят от целей и задач, решаемых с помощью информацион
ных моделей.   

Всю содержащуюся в модели информацию разделяют на 3 типа – 

данные (паспорта объектов), их графическое представление и документы, – 

внутри каждого из которых есть бесконечное количество своих разновид
ностей.  

           1. Данные:  

1) статические характеристики объектов – неизменяемая инфор
мация;  

2) динамическая информация – данные мониторинга, изменяю
щиеся в режиме реального времени;  

3) ретроспективные данные – статистика предыдущих периодов;  

4) плановые данные. 

2. Информационно-логическая модель (ИЛМ) — это совокупность 

информационных объектов (сущностей) предметной области и связей 

между ними. 

3. Концептуальная модель представляет собой интегрированные 

концептуальные требования всех пользователей к базе данных данной 

предметной области. 

Раздел 3.  Информационные технологии в современной металлургии 
 

195

Проведенный анализ процессов математического моделирования и 

прогнозирования металлографической структуры и механических свойств 

металлических материалов показал, что в процессе создания автоматизи
рованной системы требуются следующие разновидности исходных дан
ных: 

1. 
Нормативно-справочная и методическая информации;  

2. 
Информация о прототипах (ранее разработанных изделиях того 

же класса); 

3. 
Информация о текущем состоянии изучаемого объекта (текущая 

конструктивная обстановка). 

Процесс прогнозирования структуры и свойств также с передачей 

данных из подсистемы, автоматизирующей одну область инженерной дея
тельности (предметную область), в подсистему, автоматизирующую дру
гую предметную область.  При этом модели изделия, которые строит каж
дая из систем, могут различаться между собой, поскольку каждая из пред
метных областей имеет свою концептуальную модель данных. 

Однако когда реализуется процесс передачи данных между система
ми автоматизации, относящимися к различным предметным областям, пе
редаются лишь те данные, которые относятся к перекрывающимся под
множествам концептуальных моделей данных.  Например, технологиче
ская модель изделия, модель, предназначенная для прогнозирования вели
чины зерна в готовом изделии, и модель, предназначенная для прогнозиро
вания механических характеристик, имеют общую часть концептуальной 

модели – геометрическую модель изделия, которая является основой для 

всех трех вышеперечисленных типов моделей.  Обмен данными между 

этими системами имеет смысл в том случае, если передаче подлежит то 

подмножество модели, которое соответствует перекрывающимся частям 

концептуальных моделей. 

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

196

Анализ процесса конструкторской подготовки производства показы
вает, что модели, относящиеся к различным предметным областям, созда
ются разными подразделениями предприятия, например, модель для аэро
динамических расчетов создается отделом аэродинамики, модель для 

прочностных расчетов создается отделом прочности.  Создание модели, 

относящейся к конкретной прикладной области, осуществляется в рамках 

одного организационного подразделения и носит дискретный характер. 

Это приводит к заключению о том, что необходима модульность от
носящейся к изделию информации, но модули должны отделяться по 

предметным областям.   

Таким образом, одним из основных требований, которым должна 

удовлетворять информация об изделии, является модульность информа
ции.  Информация должна быть разделяема:  

1) по составу изделия; 

2) по этапам жизненного цикла и по версиям изделия, возни
кающим в процессе его доработки; 

3) по предметным областям. 

Помимо модульности необходимость облегчения и ускорения досту
па к информации, а также необходимость уменьшения затрат, связанных с 

преобразованием данных и их передачей, требует интеграции информации 

об изделии (т.е. достижения единства такой информации). Следовательно, 

обладая свойством модульности, информация об изделии должна быть ин
тегрирована, т.е. модель изделия должна быть единой. Если принять, что 

модель изделия – это некий объект, способный заменить само изделие для 

выполнения задачи, не связанной с основным назначением изделия, то 

возможны различные виды моделей – простая модель, решающая одну за
дачу, комплексная модель, предназначенная для решения нескольких задач 

и интегрированная модель, решающая все задач. 

Раздел 3.  Информационные технологии в современной металлургии 
 

197

Интегрированная модель изделия обладает следующими особенно
стями: 

1. Фрагменты интегрированной модели изделия могут использовать
ся в разделенном режиме, то есть один фрагмент может входить одновре
менно в несколько интегрированных моделей изделий. 

2. Любое изделие или его компоненты могут быть рассмотрены с 

точки зрения различных предметных областей.  Поэтому различные фраг
менты интегрированной модели создаются с использованием различных 

программных продуктов, автоматизирующих различные предметные обла
сти.  Кроме того, некоторые из предметных областей пока не охвачены ав
томатизацией.  Вследствие этого процесс создания интегрированной моде
ли изделия является дискретным с точки зрения многообразия охватывае
мых предметных областей.  Потребители интегрированной модели изделия 

также должны иметь возможность выделения из интегрированной модели 

изделия той информации, которая относится именно к их предметной об
ласти. 

3. Интегрированная модель изделия имеет большой объем и включа
ет фрагменты, относящиеся к различным этапам жизненного цикла изде
лия (ЖЦИ). Должны также отслеживаться новые версии изделия и его 

компонент. Вследствие этого процесс создания интегрированной модели 

является  дискретным с точки зрения жизненного цикла изделия – отдель
ные фрагменты интегрированной модели создаются и включаются в инте
грированную модель на разных этапах жизненного цикла изделия.  При 

этом необходимо хранение всех фрагментов интегрированной модели из
делия, независимо от того, на каком этапе жизненного цикла изделия 

фрагмент был создан.  Например, Эскизный проект изделия не отменяется 

с появлением Технического проекта, а появление изменения в конструкции 

производящегося изделия не означает, что описание конструкции ранее 

произведенных изделий не должно сохраняться. 

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

198

Из вышеизложенного вытекает, что интегрированная модель изделия 

должна обладать следующими свойствами: 

• модульность; 

• неуничтожаемость данных и наличие структурных метаданных; 

• множественность предметных областей, предметная ориентация  

и наличие словарных метаданных. 

С абстрактной точки зрения при любом роде деятельности произво
дится обработка информации. Движение информации и её изменение 

называют информационными потоками. Любому бизнес-процессу должен 

соответствовать определённый информационный поток. Стандарт IDEF1 

был разработан как инструмент для анализа и изучения взаимосвязей меж
ду информационными потоками. Целью является структуризация суще
ствующей информации.  IDEF1 является аналитическим методом и ис
пользуется для выполнения следующих действий: 

1. Определение самой информации и структуры её потоков; 

2. Определение существующих правил и законов, по которым осу
ществляется движение информационных потоков, а также принци
пов управления ими; 

3. Выяснение взаимосвязей между существующими информационными 

потоками; 

4. Выявление проблем, возникающих вследствие недостатка каче
ственного информационного менеджмента. 

Результаты анализа информационных потоков могут быть использо
ваны для стратегического и тактического планирования деятельности и 

улучшения информационного менеджмента. Обычно методологию IDEF1 

используют при исследовании движения потоков информации и принци
пов управления ими на начальном этапе процесса проектирования корпо
ративной информационно-аналитической системы. Методология IDEF1 

Раздел 3.  Информационные технологии в современной металлургии 
 

199

позволяет на основе простых графических изображений моделировать ин
формационные взаимосвязи и различия между: 

1. Реальными объектами; 

2. Физическими и абстрактными зависимостями, существующими сре
ди реальных объектов; 

3. Информацией, относящейся к реальным объектам; 

4. Структурой данных, используемой для приобретения, накопления, 

применения и управления информацией. 

При построении информационной модели изучаются две предметные 

области: 

1) совокупность физических и интеллектуальных объектов, таких как 

люди, места, вещи, идеи и т.д., а также все свойства этих объектов и зави
симости между ними; 

2) информационная область, включающая в себя существующие инфор
мационные отображения объектов первой области и их свойств. 

Возможны две точки зрения на информационную модель и, соответ
ственно, два уровня модели. Первый - логический (точка зрения пользова
теля) - описывает данные, задействованные в бизнесе предприятия. Второй 

- физический - определяет представление информации в БД.  

 Процесс построения информационной модели состоит из следующих ша
гов: 

• определение сущностей;  

• определение зависимостей между сущностями;  

• задание первичных и альтернативных ключей;  

• определение атрибутов сущностей;  

• приведение модели к требуемому уровню нормальной формы;  

• переход к физическому описанию модели: назначение соответ
ствий имя сущности - имя таблицы, атрибут сущности - атрибут 

таблицы; задание триггеров, процедур и ограничений;  

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

200

• генерация базы данных. 

Применительно к задаче прогнозирования схема информационной 

модели выглядит следующим образом: на входе автоматизированной си
стемы задаются эмпирические данные (величина зерна, твердость, механи
ческие характеристики материала). В результате моделирования получаем 

значения: эквивалентной деформации, степени деформации, скорости де
формации, температуры процесса, масштабный фактор. После этого в си
стеме идет процесс анализа полученных результатов, в результате которо
го на выходе получаем прогнозные значения величины зерна, твердости, 

механических характеристик (рисунок 1). Функциональная модель процес
са представлена на рисунках 2 – 7. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.  Схема взаимодействия входных, промежуточных и                       

прогнозных значений. 

ВХОД 

Статистические данные (величи
на зерна, твердость, σВ, σ0,2) 

Параметры технологического 

процесса (усилие, перемещение, 
температура, контактное взаимодействие) 

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

эквивалентная деформация 
степень деформации 
скорости деформации температура процесса 
 масштабный фактор 

ПРОГНОЗНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ

Величина зерна 

Твердость 

Механические характеристики

Раздел 3.  Информационные технологии в современной металлургии 
 

 
201

 
 
Рис. 2.   Контекстная диаграмма функциональной модели. 
 

 
Рис. 3.  Декомпозиция процесса создания методики прогнозирования. 

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

 
202

 
 
 
Рис. 4.  Декомпозиция процесса сбора  данных  для прогнозирования. 

 

 
 
Рис. 5.  Декомпозиция процесса математического моделирования.