Ввод экспертных знаний в систему

Технология экспертного программирования, позволяющая непрограммирующим специалистам создавать интеллектуальные конструкторско-технологические системы проектирования с производительностью в 7-10 раз выше, чем профессионалы. [8]

Экспертное программирование основано на представлении знаний в форме функциональных блоков, которые можно назвать "объект - функциями".

Рис. 1

Графически такая объект - функция представляется в форме прямоугольника (рис.1), каждая из четырех сторон которого имеет определенное назначение: левая - входы, правая - выходы, верхняя - управление, нижняя - механизмы.

Внутри прямоугольника записывается наименование объект - функции.

Входы представляют собой информацию, необходимую для выполнения функции, и в результате ее выполнения преобразуются в выходы. Входы показывают все характеристики, которые необходимы для выполнения функции и она не может быть выполнена без получения их значений. Управление описывает условие, оказывающее влияние на выполнение функции, но само не подвергается переработке.

К нижней части изображения объект-функции присоединяются стрелки механизмов, обозначающие программное средство, обеспечивающее выполнение функции. Входы и выходы показывают, что делается функцией, управление - почему это делается, а механизмы - с помощью чего делается.

Приведенную выше теоретическую схему необходимо представить в форме, удобной для ее задания человеком при вводе знаний в компьютер. Наиболее простой формой является таблица (рис.2). Такая таблица содержит все элементы функционального блока, представленного на рис.1.

 

Таблица 1 Словарь
Наименование		Имя	Тип
Диаметр оси стандартный, мм		d	R
Длина оси стандартная, мм		L	R
Ширина фаски, мм		c	R
Диаметр буртика, мм		D	R
Ширина буртика, мм		H	R
Радиус галтели, мм		r1	R
Радиус скругления буртика, мм		r2	R
Марка материала		Марка	S
Изгибающий момент, Н*мм		Mi	R
Допустимое напряжение изгиба, МПа		Ti	R
Диаметр оси исходный, мм		dо	R
Длина оси исходная, мм		Lo	R
Тип оси		ТО	S
Номер детали		Ном	I
Диаметр оси расчетный, мм		dr	R

Наименования параметров должны выбираться из словаря системы, также как и их имена-идентификаторы, необходимые для написания формул (табл.1).

Условия модулей знаний (МЗ) представляют собой ограничения, накладываемые на входные и управляющие параметры и определяющие область определения функции, реализуемой модулем.

Неструктурированная совокупность МЗ в определенной прикладной области представляет собой базу знаний этой области, аналогичную базе знаний продукционных систем искусственного интеллекта, которые используются в экспертных системах.

Механизмы модулей знаний должны обеспечивать реализацию всех функций, которые могут потребоваться при формировании баз знаний. В число таких функций входят следующие основные:

§ вычисление по формулам (в том числе присвоение значений переменным);

§ определение значений по многовходовым таблицам;

§ работа с базами данных;

§ вычисление значений с использованием подпрограмм;

§ вычисление значений с помощью номограмм (графиков функций);

§ вычисление значений с помощью методов, сгенерированных из модулей знаний;

§ вычисление значений с помощью исполняемых модулей существующих систем;

§ входные и выходные данные которых хранятся в базах данных.

Внешнее представление модуля - формулы приведено на рис.2.

Наименование	Имя	Ограничение
Тип оси	TO	ось гладкая,
ось с буртиком
Изгибающий момент, Нмм	Mi	(0.,95000)
Допустимое напряжение изгиба, МПа	Ti	[0.6,0.95]
Диаметр оси расчетный, мм	dr	(Mi/(0.1*Ti))^(1/3)

Рис. 2. Внешнее представление модуля - формулы

 

Рис. 3. Компьютеризация геометрических знаний в SprutCAD

Рис. 4. Формирование модуля знаний генерации чертежа оси

Рис. 5. Формирование модуля знаний выбора информации из базы данных

Рис. 6. Формирование модуля знаний назначения стандартной длины оси

Рис. 7. Формирование модуля знаний расчета допустимого диаметра оси

Рис. 8. Генерация метода проектирования оси

Рис. 9. Интерфейс программы электромагнитного расчета трехфазных асинхронных двигателей

Если рассматривать этот МЗ как правило-продукцию, то он эквивалентен следующему предложению: "если тип оси ось гладкая или ось с буртиком и изгибающий момент (Mi) больше 0 и меньше 95000 Нмм и допустимое напряжение изгиба (Ti) больше или равно 0.6 и меньше или равно 0.95 МПа, то диаметр оси расчетный вычисляется по формуле dr=(Mi/(0.1*Ti))^(1/3)".

Методика использования экспертного программирования продемонстриро-вана на примере компьютеризации знаний о проектировании осей на рисунках 3 – 7.

После того, как разработаны все необходимые модули знаний, они объединяются в метод, обеспечивающий решение комплексной задачи. Иными словами производится автоматическая генерация алгоритма решения задачи. Экран генерации метода представлен на рис.8.

В левой верхней панели экрана "Состав Метода" отображены модули инженерных знаний, ранжированные в порядке определения необходимых для их работы входных переменных. В нижней части экрана отображен словарь метода. Каждый метод, также как и модуль знаний, представляет собой объект-функцию со структурой, приведенной на рис.1. Входные переменные метода проектирования оси отображены в левой нижней панели. К числу этих переменных относятся все свойства, не являющиеся выходными в модулях метода. Остальные переменные составляют множество выходных и локальных свойств метода. Выходные помечаются галочками, как это можно видеть на правой нижней панели рис.8.

После нажатия на клавишу "Транслировать" генерируется программа, являющаяся механизмом метода. В данном случае - это программа проектирования оси, позволяющая после задания значений входных переменных сгенерировать чертеж оси (см. рис.3).

В SprutExPro предусмотрена возможность создания циклических методов, что в совокупности с описанными выше возможностями превращает эту среду в полномасштабную систему программирования.

 

Базы экспертных знаний

С применением экспертного программирования разработаны большие промышленные базы знаний конструкторского и технологического назначения. База знаний по электромагнитному расчету трехфазных асинхронных электродвигателей, разработанная в НИПТИЭМ, содержит 405 продукционных правил, использующих 679 переменных.

SprutExPro позволяет превращать сгенерированные с ее помощью методы в автономные программные средства со своим интерфейсом. Так упомянутый электромагнитный расчет, разработанный как часть интегрированной системы генерации проектов асинхронных электродвигателей, был отчужден от этой системы и превращен в модуль, интерфейс которого представлен на рис.9.

Технология экспертного программирования является универсальным средством представления как конструкторских, так и технологических знаний. С помощью SprutExPro была создана база знаний проектирования технологических процессов механической обработки, включающая более 600 правил. Эта база разработана и оттестирована одним экспертом за четыре месяца. При этом было автоматически сгенерировано 56589 операторов языка программирования со средней производительностью 700 операторов в день.

Таким образом, описанная технология позволяет реализовать идеи, провозглашаемые CALS-технологией, и ликвидировать барьеры, существующие между различными фазами жизненного цикла изделий: между проектными расчетами и конструированием, а также между конструированием и проектированием технологических процессов по всем технологическим переделам.

Заключение. Тенденции и перспективы

Важная глобальная тенденция последнего времени — переход от точечной автоматизации, охватывающей отдельные рабочие места, к комплексным решениям для реализации сквозного цикла проектирования, инженерного анализа, подготовки к производству и управления инженерными документами. В нашей стране этот процесс тоже идет, но его затрудняет недостаток высококвалифицированных кадров, необходимых для сложных проектов.

Но главной тенденцией нашего рынка остается рост спроса, благодаря которому объемы продаж САПР будут расти. Основная причина заключается в общей благоприятной ситуации в экономике, позволяющей предприятиям продолжить техническое перевооружение. [Анастасия Морозова]

Нужна ли современному производству автоматизация конструкторско-технологических процессов? Вряд ли найдется такой руководитель, который ответит "нет"...

В любом случае, современные требования к продукции: повышение качества, снижение себестоимости производства и разработки при очень жестких сроках уже не могут быть удовлетворены без использования новых технологий.

Продукция должна отвечать множеству таких критериев, как функциональность, эргономика, технологичность, дизайн. Для этого необходимо организовать совместную работу различных специалистов над одним проектом, обеспечив возможность быстрого внесения изменений, дать инженеру "право на ошибку" возможность быстро проработать несколько вариантов различных решений и выбрать из них наилучшее. Но для достижения желаемого результата недостаточно просто заменить кульман на монитор, необходимо провести реорганизацию всего процесса.

Огромный опыт использования компьютеров и систем САПР накоплен за рубежом. Можно ли применить его в наших условиях? Достаточно распространено мнение, что нельзя, однако внедрение САПР на различных предприятиях России выявляет те же проблемы, что и за рубежом, и они вполне успешно решаются теми же методами. Основной вывод, с которым согласны большинство зарубежных авторов, необходимость комплексного подхода к выбору и внедрению САПР, автоматизации всего процесса "от идеи до изделия", а не просто перевод чертежей из бумажного вида в электронный.

На фоне "наших особых условий" отметим высказывание одного из известных экспертов в области САПР. Dr. Joel Orr, президент компании Orr Associates International, писал: " В течение 21 года работы в CAD/CAM я открыл восемь фактов о CAD/CAM, которые не понимает высшее руководство. Два или три руководителя, составившие исключение, имеют продуктивность, о которой другие даже не мечтали".

1. CAD/CAM стратегическое оружие бизнеса. Его правильное применение позволит эффективно и непрерывно транслировать творческий потенциал проектировщиков в общий доход.

2. Вы не сможете продуктивно автоматизировать процесс, который никогда не планировался: большинство инженерных и технологических процессов имеют историческую базу, не соответствующую современным условиям. Изменения процессов очень сложны; неизвестно, чем они закончатся, но отсутствие изменений приведет к саморазрушению.

3. Вы не можете позволить себе содержать рабочую станцию CAD/CAM более 3х лет: к тому времени ваши конкуренты купят более быструю и более мощную станцию. А дополнительные возможности, предоставленные вашему уже обученному пользователю, компенсируют затраты очень быстро.

4. Инженерные данные наибольшая ценность вашей компании. Вы работаете над информацией, и ваши продукты только одно из ее представлений. Установите систему охраны вашей информации. Будьте уверены, что информация доступна в любое время, причем не только для работающих с ней сотрудников (которые завтра могут быть наняты вашими конкурентами).

5. Обучение CAD/CAM это постоянно планируемый пункт в структуре расходов, а не какие-то временные издержки. Каждая система предлагает рынку новые версии каждые 68 месяцев. Для стабильной эффективности ваши специалисты нуждаются в профессиональном обучении новым версиям.

6. Стоимость гетерогенных систем часто больше, чем выгода. Переход от одной системы к другой, переобучение, общение с различными производителями это постоянная нервотрепка. Так что, если вы можете, принимайте решения на базе одной системы.

7. Если вы экономите на рабочих станциях, сетях, устройствах электропитания это "мудрость на пенни и глупость на фунт". Издержки на поддержание самого лучшего оборудования малы, особенно в сравнении с издержками при потере трудоспособности и не использовании таланта сотрудников, которые увеличивают производительность вашей фирмы. Не экономьте на этом.

8. CAD/CAM должен быть частью общей информационной системы эта стратегия принесет максимальный доход. Сокращение цикла (пользователь, маркетинг финансы, продажи, разработка, обслуживание) шаг к улучшению всего бизнеса. Вот почему CAD/CAM и данные управления должны быть неотъемлемой частью общей информационной системы; они связаны с жизненным потоком организации производства. Несмотря на тривиальность большинства данных фактов, порой кажется, что они так же банально не воспринимаются большинством руководителей наших предприятий.

Наиболее распространенная ошибка при внедрении САПР это недостаточное внимание к процессу разработки как ключевому компоненту автоматизации. Большинство заостряет свое внимание на конкретике характеристиках САПР, особенностях продукции и т.п. Это проявляется и в подходе к выбору системы попытках изобрести "объективные" и "измеряемые" критерии выбора, как правило, на примере повтора на экране уже разработанной конструкции.

Однако максимальный эффект от автоматизации вообще и САПРа в частности может быть достигнут оптимизацией процесса, а не изолированной его компоненты. Для получения отдачи необходимо рассматривать процесс как пластичный и изменяемый, максимально использующий технологические преимущества.

Классический пример: множество компаний рассматривают чертеж как конечный продукт, вся автоматизация построена вокруг этой концепции и основным критерием выбора САПР является ее удобство при получении чертежей. Но даже самые хорошие чертежи могут лишь незначительно влиять на сокращение сроков всего процесса и улучшение качества продукции... Таким фирмам стоит подумать об изменении процесса: вместо чертежа позволить конструктору работать с 3D моделью и позаботиться о том, чтобы другие службы или контрагенты были также укомплектованы подобной системой. При передаче данных в виде модели чертежи могут выпускаться и дальше, но они устраняются с критического пути, значительно повышается качество и сокращается общее время.

На пути успешного внедрения САПР встречается много ловушек, но условиями выживания сегодня стали возможность получения максимальной реализации имеющегося конструкторско-технологического потенциала, расширение спектра предлагаемой продукции, быстрая реакция на требования рынка. Обеспечить все это в комплексе без применения современных САПР просто невозможно, и важность правильного внедрения, включая выбор аппаратуры и программного обеспечения, значительно возрастает. Одна и та же система на разных предприятиях одного профиля может дать как существенный эффект, так и оказаться простым замораживанием средств. Для достижения максимального эффекта важно точное определение задач, которые необходимо решить в первую очередь, четко определить приоритеты. Что вы хотите производить? Какая информация, материалы, оборудование необходимы? Каковы требования по времени и качеству? [Дмитрий Кондаков]

Когда вы получите ответы на основные вопросы, имеет смысл пригласить эксперта по автоматизации для совместной разработки проекта использования современных достижений в области САПР для ваших задач.

Возможности охватить весь цикл "от идеи до продукта" на основе единого систематизированного подхода, использование 3D компьютерных моделей деталей и сборок для проверки дизайна и компоновки, выход на технологии быстрого получения прототипов позволяют окупить затраты на приобретение системы в течение нескольких месяцев.

Этап активного преобразования экономических и государственных институтов, происходящий сегодня в нашей стране, требует качественно новых подходов в управлении вообще и в организации проектного дела в частности. Как и в других развитых странах, высокие технологии в области гражданского и промышленного строительства в первую очередь востребованы представителями наиболее динамично развивающихся компаний.

Взаимодействуя с проектными и изыскательскими организациями в вопросах адаптации различных направлений и технологий современного менеджмента, поиска наиболее эффективного инструмента совершенствования и развития проектного бизнеса, многие специалисты пришли к выводу, что сегодня существуют реальная возможность и объективная необходимость активной популяризации, продвижения и внедрения интеллектуальных САПР нового поколения. Понимание этого привело к организации и проведению первой осенней сессии Международного форума «Интеллектуальные САПР нового тысячелетия». Международный форум как новое движение сообщества САПР – это необходимая сегодня форма профессионального общения по вопросам методологии организации проектирования, которая способна помочь многим российским проектным компаниям стать более эффективными и конкурентоспособными.

Сегодня мы находимся на границе 4-го и 5-го поколения. САПР – это средство генерации данных, но если оно не связано одновременно с хранилищем данных и системой навигации по этим данным, то мы имеем САПР 3-го поколения, или desktop -решение. Сегодняшние САПР 4-го и 5-го поколений способны решать задачу интеграции со средой хранения данных и управления процессами, управления смежными с документацией данными. САПР 5-го поколения считается такая система, в которую добавлена интеллектуальная составляющая, решающая конкретную техническую задачу. Такие приложения уже начали появляться в составе модулей основных вендоров.

По результатам анализа существующих проблем при автоматизированном подходе к проектированию можно сделать следующий вывод:

v создание единого автоматизированного комплекса проектирования теоретически возможно, но в условиях недостаточной информации и отсутствии системного подхода система может выдавать некорректный результат (по крайней мере пока не получили широкое распространение экспертные системы). Кроме того, наличие такой системы может быть не выгодно, с точки зрения экономики, как поставщику, так и потребителю.

v Т.о. на сегодняшний день более целесообразно создавать программные комплексы для решения частных задач проектирования, но с условием наличия расширенных возможностей импорта\экспорта. Об этом во многом говорит стратегия крупных фирм, направленная на диверсификацию собственной продукции.

 

Список использованных источников:

 

1. http://www.electronics.ru (Рынки печатных плат и САПР для них. Консолидация и подвижки)

2. http://kis.pcweek.ru/(Рынок электронных САПР преодолевает планку в 4 млрд. долларов)

3. http://www.bstpress.ru/(Интеллектуальные САПР нового тысячелетия)

4. http://www.pcweek.ru/(Новости САПР электроники)

5. http://www.uran.donetsk.ua/(СИСТЕМА УРОВНЕЙ МОДЕЛИ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ДЛЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ САПР)

6. http://www.pcweek.ru(САПР в России: тенденции и перспективы)

7. http://pressa.spb.ru(READ.ME 1 октября 1996 N 6(34))

8. http://pressa.spb.ru/(Интеллектуальные САПР. Находки и р азвитие)

9. В.В. Колуков «Основы методологии проектирования и конструирования РЭС»: учебное пособие для ВУЗов – М., 2000 г.

10. http://www.autodesk.ru/ - новые возможности САПР.

11. http://www.sprut.ru - Новая информационная технология разработки программных средств http://www.sprut.ru/documents\articles/answer10.html#4

12. Норенков И.П. Системы автоматизированного проектирования. Кн. 1: Учеб. пособие для втузов. - М.: Высшая школа, 1986.

13. Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И.П. Теоретические основы САПР. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

14. Сольницев Р.И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления. - М.: Высшая школа, 1991.

15. Кузина И.В., Жданов В.С., Денисова Т.С., Ваганова М.Ю. Математическое обеспечение САПР элементов и систем автоматики: Текст лекций. - М.: МИЭМ, 1990.

16. http://www.circuitry.ru/pdf/1_2009/1826.pdf.