Победители "Формулы"

Источник: Dassault Systemes

Каждая очередная гонка демонстрирует, что, независимо от слаженных действий команды и легендарности личности пилота, фортуна склоняется в пользу команд, использующих лидирующие технологии. Сегодня это — Ferrari, McLaren и Williams; исход гонок определяют проектировщики и конструкторы, вооруженные современными средствами автоматизации.

Условия гонки

Согласно правилам гонок «Формула 1» болиды должны преодолеть по кольцевой трассе примерно 300 км (от 44 до 78 кругов в зависимости от трассы), развивая на некоторых участках скорость более 300 км/час. До половины машин может сойти с дистанции, а остальных от успеха будут отделять считанные секунды. Если один круг на Grand Prix болид проходит в среднем за 100 с, то разница в одну секунду означает преимущество всего лишь в 1%. Этот процент — конгломерат усовершенствований в аэродинамике, мощности двигателя, динамике шасси, подвески и т.п. Одной из самых важных инженерных задач для разработчиков является «тонкая» оптимизация противоречивых проектно-конструкторских параметров болида (вес, надежность, аэродинамичность и др.) с целью определения экстремума целевого параметра — времени. Физика этих параметров сложна, многообразна и затрагивает не только геометрические размеры, но и прочность, энергетику, динамику. Для конструктора болида нет иного результата, кроме абсолютного попадания в цель, а для этого цикл «синтез — анализ — модификация» должен быть повторен десятки или сотни раз, а вблизи точки оптимума — еще больше. Такое возможно, только если полная информация о геометрии, физике и логике процессов взаимоувязана и воспроизводима.

Возьмем, к примеру, рабочую часть двигателя — коленчатый вал, шатуны, поршни и цилиндры. Все они образуют систему противоречий между ходом поршня, плечом вала, моментом на валу, числом оборотов, объемом камеры, скоростью сжатия, давлением и температурой горения, а также распределением этих величин по циклу двигателя и их градиентами. Целевой параметр максимизации — произведение момента на валу на скорость вращения. Но и если найдено оптимальное сочетание геометрических параметров деталей двигателя, то это еще не означает, что достигнута конечная цель — минимальное время. Данная конфигурация параметров может быть неоптимальной по отношению к другим критериям — разгону болида, нагреву двигателя, его ресурсу, расходу топлива. А те, в свою очередь, меняют свои параметры в зависимости от характеристик трассы и окружающей среды. Создание оптимального болида — компромисс между экстремумами многих функций.

Гонки на семнадцати трассах в разных частях мира оставляют конструкторам и инженерам не более двух-трех недель на доводку и настройку машины. Одновременно нужно готовить новую модель — чем быстрее она выйдет, тем больше шансов на победу в очередном сезоне. Так, используемый в сезоне 2001 года болид McLaren, был создан за шесть месяцев почти с нуля. В конструкции из 3,5 тыс. узлов использовалось не более 10% деталей из предыдущей модели. И так каждый год: к очередному сезону McLaren International выпускает новую машину, отвечающую постоянно меняющимся правилам гонок. Кроме лимита времени на конструирование, расчет, производство и отладку новой машины над конструкторами довлеет финансовый меч, заставляющий оптимизировать ее стоимость в условиях, заданных хозяевами команды и спонсорами.

Для поддержки бешеного темпа разработки и сопровождения (проектирование — 3-4 месяца, производство — 6 месяцев), в течение которого происходит замена от 40 до 70% деталей, не обойтись без систем, увязывающих воедино все этапы жизненного цикла машины и снижающих вероятность ошибок. Необходимы поддержка совместной деятельности групп разработчиков разных специальностей, обеспечение информационного сопровождения, средства управления транзакциями. Все это обычно интегрируется с помощью сервера приложений, над которым находится система управления жизненным циклом изделия (PLM — product lifecycle management), в свою очередь координирующая работу модулей планирования ресурсов предприятия (ERP — enterprise resource planning) и управления цепочками поставок (SCM — supply change management), а также средств управления отношениями с клиентами (CRM — customer relationship management). Полномасштабная трехмерная модель должна обеспечивать одновременную работу конструкторов, интеграцию данных в контексте больших сборок, интерфейс со средствами анализа и подготовки производства.

Сегодня и сейчас

Дефицит времени устранения ошибок в зародыше возможен лишь при параллельной разработке, когда проектирование изделия осуществляется одновременно с подготовкой технологической оснастки, разрабатываемой вместе с составлением плана производственных помещений.

Необходимость систем PLM осознали почти все команды «Формула 1», причем в лидерах гонки ходят те, кто наиболее успешен в их применении. По данным CIMdata, к 2005 году рынок систем PLM, под влиянием «электронной экономики» трансформирующихся в cPDM (см. врезку «Коллективная разработка»), станет весомее популярных средств ERP и CRM и достигнет почти 33 млрд. долл., из которых 49% будет приходиться на услуги. Ежегодный рост продаж систем автоматизированного проектирования составляет всего 6% против 34-процентного роста PDM-решений. Это означает, что автономные системы CAD/CAM/CAE подошли к локальному пределу своего совершенствования: гораздо важнее обеспечить взаимодействие конструкторских идей и решений, выраженных разными средствами автоматизации, со средствами подготовки производства и сопровождения.

PLM представляет собой пакет решений по управлению жизненным циклом продуктов, предназначенных для того, чтобы с помощью Internet интегрировать бизнес-процессы, а также накопленный опыт и знания компании. В состав PLM входят интегрированные продукты и услуги — от определения концепции продукта вплоть до текущего технического обслуживания и демонтажа в связи с истечением срока эксплуатации. Кроме того, понятие PLM включает консультации, службы и методологии, призванные, например, обеспечить эффективность персонала путем фиксации и описания методов проектирования от высококвалифицированных конструкторов и передачи их в качестве инструмента менее подготовленным работникам.

Один из примеров решений по консолидации данных об изделиях — семейство программных продуктов Enovia. Разработчиком семейства является компания Dassault Systemes, а продажу и техническую поддержку обеспечивают соответствующее отделение IBM и бизнес-партнеры корпорации.

Enovia Portal предоставляет участникам разработки доступ к данным и приложениям, относящимся к изделию, включая традиционные параметры, данные из систем PDM и ERP и т.д. В рамках пакетов Enovia DMU и 3d Enovia Portal предоставляет средства визуализации для различных средств САПР и профессиональные функции работы с Web.

Задача Enovia Lifecycle — поддержка процесса создания продукта и цифрового моделирования всего его жизненного цикла. Система позволяет использовать весь накопленный опыт для поддержки параллельного проектирования, множественности вариантов дизайна, ускорения процесса перехода к массовому производству и консолидации субподрядчиков. В число приложений Enovia Lifecycle входят Enovia VPM (Virtual Project Manager) и Enovia PM.

Enovia PPR HUB преобразует информацию для обработки в системах бизнес-интеллекта, предоставляя унифицированную модель изделия, производственных процессов и ресурсов предприятия, включающую все данные о жизненном цикле продукта. Среди возможностей Enovia VPM — моделирование конфигурации, технологические связи и отслеживание последовательности действий.

Enovia Enterprise Architecture отвечает за создание и внедрение масштабируемых решений в рамках расширенного предприятия путем настройки интегрированных систем поддержки всего жизненного цикла изделий.

Система Enovia RAD позволяет разрабатывать приложения, настроенные на потребности конкретных пользователей с поддержкой восстановления ранее апробированных алгоритмов.

Enovia VPM — часть Enovia Portfolio, портфеля разработок в области управления жизненным циклом изделий на базе возможностей электронного бизнеса. Система VPM призвана помочь средним и малым компаниям повысить уровень использования инноваций, оптимизировать себестоимость продукта в течение всего цикла и выйти на новые рынки с обновленной моделью бизнеса.

Pole position

Как видно из таблицы, девять из 11 команд «Формулы 1» ездят сегодня на болидах, частично или полностью (шасси, двигатель, трансмиссия) созданных с помощью систем CATIA и Enovia. Шесть из семи двигателей машин сделаны средствами CATIA, а болид для новой команды сезона 2002 — Toyota полностью спроектирован на CATIA/Enovia.

Таблица. Системы, используемые для создания болидов «Формула 1» (2001 год).

Команды BAR и Jaguar отдают предпочтение пакету Unigraphics компании UGS, однако двигатель для BAR сделан на CATIA. В силу сохранения преемственности, команды Jordan и BMW Williams проектируют шасси с помощью систем HP и SDRC, однако двигатели для этих машин создаются средствами CATIA. На сегодняшний день команды «Формулы» используют более 700 лицензий на CATIA и Enovia.

Даже в такой дорогой отрасли с ежегодным бюджетом в 3 млрд. долл. явно наблюдается стремление к универсализации — очень накладно создавать модели гоночных автомобилей на специализированных пакетах автоматизации.

Системы класса Enovia и I-DEAS (Metaphase) дают возможность разработчикам автоматически контролировать все этапы: формирование геометрии деталей, спецификации материалов и производственных планов, проведение прочностных расчетов, соблюдение требований и правил гонок, моделирование поведения машины в разных условиях эксплуатации и т.п. В конечном итоге, совместное применение CATIA и Enovia уменьшает число дорогостоящих физических прототипов, что дает выигрыш не только по стоимости, но и по времени на доводку изделия.

Поживем — увидим

Расстановка лидеров «Формулы», как можно заметить, сопоставляя данные из таблицы с результатами гонок, прямо пропорциональна степени использования командами высоких технологий.

Не совсем хорошо на гонках прошлых лет показал себя двигатель от Peugeot и, например, команда Prost отказалась от него в пользу Ferrari двухлетней давности. Намереваясь исправить положение дел, концерн Peugeot Citroen объявил о переходе на системы CATIA и Enovia VPM. Однако платой за технологическое отставание команды Acer Prost стали 25 млн. долл., выкладываемые ежегодно за двигатель Ferrari.

Команде Ferrari также не стоит почивать на лаврах — отличный двигатель в сезоне 2001 оказался у команды Williams, которая, перепробовав Renault и Ford в первый же год сотрудничества с BMW получила уже ряд важных побед. Группа TAG McLaren Group, обслуживающая команду West McLaren Mercedes, воодушевленная успешным внедрением PLM намерена опробовать в сезоне 2002 принципиально новую технологию на базе нового технического центра, где будут апробироваться технические решения, призванные помочь болидам этой команды обойти машины Ferrari.

Скромные результаты Jordan заставляют аналитиков говорить об изменении стратегии, как в отношении менеджмента, так и в области выбора технологий, используемых при создании шасси. Правда, применяемая этой командой система проектирования от SDRC, неплохо показала себя в руках Williams. Возможно, ситуацию изменит недавняя покупка компании SDRC ведущим системным интегратором EDS; это будет свидетельствовать о том, что технологических лидеров на гонках станет только двое. Действительно, два года назад компания Parametric Technology приобрела Computervision, а нынешней весной было объявлено о слиянии UGS и SDRC, известной своим программным обеспечением для интегрированной разработки машиностроительных изделий I-DEAS Master Series и Artisan Series, а также системой управления данными об изделиях Metaphase Enterprise.

Итак, сегодня на рынке систем автоматизации осталось всего два серьезных производителя мощных интегрированных систем, поддерживающих весь жизненный цикл изделий. Parametric с Pro/Engineer, CADDS5 и Windshill явно тяготеет к семейству CATIA и Enovia от IBM/Dassault Systems. C другой стороны — компания UGS с системой Unigraphics, решениями класса PLM на базе iMAN и продуктами SDRC. Другая тенденция, вытекающая из факта слияния SDRC и EDS и роста популярности решений класса PLM, — концентрация глобального опыта, накопленного системными интеграторами и его ориентация на решение конкретных задач. Кроме самодостаточных решений категорий CAD/CAM/CAE и PDM, корпорация предлагает и другие программные продукты, решающие различные задачи, характерные для современного производства. Не случайно, в 2000 году компании IBM Global Services и EDS вошли в десятку крупнейших интеграторов на платформе Unix.

Вскоре нам представится хороший шанс проверить тезис о том, что истинными победителями гонок сегодня являются высокие технологии. Машины Toyota TMG начнут участвовать в гонках 2002 года. В 2000 году команда TMG в своей штаб-квартире в Кельне начала строительство новых лабораторий, в которых теперь разместилась интернациональная команда из 400 дизайнеров, инженеров и вспомогательных сотрудников. На площади в 10 тыс. кв. м. расположились целиком оснащенные технологиями PLM отделы исследовательских и проектно-конструкторских работ, проектирования, производства, а также аэродинамическая труба и испытательные стенды.

Корпорация Mitsubishi Motors (25 тыс. работников, 12 заводов в Японии, а также дочерние компании и филиалы в США, Голландии, Португалии, Индонезии, Австралии и на Филиппинах) выбрала Enovia VPM для управления жизненным циклом продуктов и реализации автоматизированной системы проектирования всех новых легковых машин, грузовиков и автобусов. На базе 1,5 тыс. рабочих мест Enovia VPM построена эксклюзивная система электронного моделирования DMU. Применение специально настроенной среды позволит оптимизировать процессы определения продукта и производства. Проект отличает поддержка конфигурации Enovia, контроль конструктивных изменений, функции дистанционного взаимодействия и обеспечения безопасности, а также интеграция Enovia с ранее внедренными решениями на базе CATIA.

В полностью развернутом варианте Enovia VPM будет взаимодействовать с ENICS — собственной системой управления данными о продуктах, образуя полнофункциональную среду разработки. Кроме того, в Mitsubishi Motors планируют реализовать систему планирования производственного процесса для оптимизации производственного цикла.

Картина гонок в цифрах

Многоступенчатая (7+1) коробка передач: цена от 100 тыс. долл., время жизни 6 тыс. км., на сезон требуется 15 штук.

Шасси: цена от 90 тыс. долл., к каждому сезону готовится 7 штук, каждая из которых вместе с кабиной для пилота проходит тест на надежность.

Электронная система бортового и стационарного обслуживания автомобиля: цена от 2,5 млн. долл. за сезон.

Колеса: цена 12 тыс. долл. за комплект, 40 комплектов на сезон.

Передний обтекатель: цена от 16 тыс. долл., 6 штук для начала эксплуатации и постоянное обновление и совершенствование в течение сезона.

Задний обтекатель: цена от 12 тыс., на сезон требуется 6 штук в зависимости от типа трассы.

Сиденье водителя: от 3 тыс., на сезон нужно 6 штук.

Двигатель: команды с участием производителей получают двигатель бесплатно, остальные платят от 13 млн. долл. за разработку и далее отдельно за сопровождение. Двигатель "Формулы" обычно на порядок мощнее серийного прототипа и вдвое легче.

Нагрузки: при ускорении до 300 км/час вес машины увеличивается до 1,5 тонн, на ноги водителя действует нагрузка в 100 кг, а вес шлема возрастает с 7 кг до 30.

Вес машины с водителем не более 600 кг.

Совокупный спонсорский вклад: 1,5 млрд. долл. в год (половина всего бюджета гонок).

Для моделирования поведения болида Williams в различных аэродинамических условиях используется аппаратно-программный комплекс из серверов AlphaServer SC 160 под управлением ОС Tru64 Unix, что позволяет выполнять настройку за часы, а не за недели. В среднем, после каждой гонки замене и усовершенствованию подвергается каждый десятый элемент конструкции машины. Вычислительный центр входит в состав подразделения Williams F1 Computational Fluid Dynamics в Англии. Команда WilliamsF1 традиционно была клиентом компании Compaq, которая с 2000 года вошла в число спонсоров BMW/Williams. В качестве спонсорского вклада Compaq обеспечивает вычислительную инфраструктуру команды, включая мобильные технологии и системы контроля за ходом гонок: расход топлива, износ конструкции, параметры производительности двигателя.

От бампера до бампера

Основные продукты Dassault Systemes — системы CATIA и Enovia, ориентированные на поддержку специфических бизнес-процессов в различных отраслях промышленности.

CATIA обеспечивает формирование среды для разработки изделий машиностроения и инфраструктуры параллельного выполнения всех этапов конструирования и проектирования «от бампера до бампера». В системе имеются средства виртуального моделирования изделий различной сложности и анализа их свойств в альтернативных условиях эксплуатации. CATIA используется сегодня в 43% автомобильных компаний.

Для того чтобы расширить доступ пользователей к высокопроизводительным технологиям, компания Dassault Systemes предлагает два решения среднего уровня CATIA P1, SolidWorks и Smart Solutions. Подразделение IBM PLM Solutions осуществляет продажи и поддержку систем CATIA, Enovia и семейства продуктов SmarTeam, а SolidWorks распространяется только через собственную сеть Dassault.

В 2000 году IBM объявила о создании альянса с компаниями Dassault Systemes, i2 Technologies и Siebel Systems для построения ИТ-инфраструктур, способных обеспечить запросы заказчиков разных масштабов и областей деятельности интегрированными решениями класса PLM, CRM, SCM и ERP.

Toyota Motorsport использует решения CATIA и Enovia для проектирования и управления разработкой шасси, двигателя и трансмиссии автомобилей «Формула-1» на базе 86 рабочих мест CATIA, Enovia VPM и Enovia Portal. По мнению технического директора программы F1 компании Toyota, CATIA и Enovia предлагают богатый набор возможностей и адекватную степень гибкости для автоматизации процессов, что оказалось особенно важно в рамках программы подготовки к гонкам 2002 года.

Кроме экономии времени и трудовых ресурсов работа по технологии PLM позволяет упростить обучение персонала, установку и модификацию программного обеспечения и снизить уровень ошибок. С помощью Enovia Portal имеется возможность обмениваться графической информацией о продуктах в оперативном режиме, причем в орбиту этой системы включены группы, не имеющие прямого отношения к проектированию, например, сотрудники отдела закупок.

Коллективная разработка

Исторически системы класса PDM представляли собой оболочку для аккумуляции процессов, связанных с проектированием в рамках существующей корпоративной структуры. Первоначально, в середине 80-х, направление PDM фокусировалось на решении задачи управления потоками файлов систем автоматизированного проектирования путем их группирования и классификации. Однако в 90-х годах потребовались более изощренные средства, например, для управления изменениями и конфигурациями. Центром кристаллизации этих технологий стала модель объемного представления изделия. В конце прошедшего десятилетия появились такие технологии, позволяющие сконцентрировать все усилия на решении конкретных задач.

Наконец, распространение Web привело к тому, что идеи PDM обрели глобальный характер, а процессом изготовления и сопровождения изделий стало возможно управлять в реальном времени. Однако это не означает появления нового рынка — это была реакция существующего рынка на новые веяния. Видоизменившиеся системы получили название cPDm (collaborative Product Definition management), кроме традиционных функций PDM вобрав в себя множество технологий поддержки коллективной работы, управления проектами, средства визуализации, комплексы маркетинговых исследований и моделирования, системы управления потоками компонентов, вместе обеспечивающие полный контроль над работами по созданию изделия.

Web-ориентированные системы PDM позволяют создавать новые изделия, используя накопленные знания и распределенные разработки. cPDm дают возможность разработчикам отслеживать поведение изделия на всем протяжении его эксплуатации, накапливая и обобщая данные по улучшению функциональности и выявлению слабых решений. Однако, cPDm — не набор приложений и технологий, а скорее стратегия бизнеса, пакет решений по управлению коллективной разработкой и управлением изделием на всем протяжении его жизненного цикла.

По данным компании CIMdata, несмотря на некоторый экономический спад в высокотехнологичных отраслях, рынок cPDm переживает период подъема, увеличившись в 2000 году на 62%, а многие компании приобрели лицензии на конфигурации до 1000 рабочих мест. Долгосрочный прогноз CIMdata содержит весьма оптимистичное ожидание роста рынка cPDm на 36% ежегодно вплоть до 2005 года. Такой рост, по мнению аналитиков, будет обусловлен активизацией среднего и малого бизнеса, предлагающих решения крупным корпорациям; дальнейшим развитием средств управления коллективной разработкой; повышением роли партнеров крупных компаний (интеграторов, реселлеров и VAR); вовлечением потребителей в процесс определения требований к продуктам и анализа результатов.

Примечательно, что доля программного обеспечения в решениях cPDm составит только 40%, освободив место для услуг по интеграции с другими элементами корпоративной инфраструктуры. Кроме того, рост будет поддерживаться за счет интереса к данному рынку со стороны традиционных системных интеграторов: Accenture, Cap Gemini Ernst & Young, PricewaterhouseCoopers, Siemens Business Services, EDS, IBM Global Services, всегда выступавших в роли консолидаторов решений от многих поставщиков.

Одними из основных заказчиков решений cPDm будут автомобильные и аэрокосмические концерны, традиционно отличающиеся широкомасштабными проектами и распределенным характером бизнеса. Например, группа компаний Volkswagen объявила о начале использования подобных решений для поддержки проектно-конструкторских работ в масштабах всей корпорации. Реализация проекта включает развертывание более 1000 лицензий Enovia VPM, которые будут использоваться для управления проектированием легковых автомобилей в виртуальной среде и поддержки работы комплексных проектных групп, состоящих из дизайнеров, конструкторов и специалистов производственной сферы.