автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Методика построения подсистемы управления качеством производств в лесном комплексе

Санкт-Петербургская Лесотехническая академия

На правах рукописи

Пашковский Игорь Витальевич

УДК 674.093.26:568.011.56

МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКТА ПРОИЗВОДСТВ В ЛЕСНОМ КОМПЛЕКСЕ

Специальность: 05.13.07 Автоматизация технологических

процессов и производств (отрасли агропромышленного комплекса)

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание технических

ученой степени кандидата наук.

СПБ 1996

Работа выполнена на кафедре автоматизации производственных процессов Санкт Петербургской Лесотехнической академии.

Научный руководитель

Кандидат технических наук, доцент Втюрин В. А.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Кондрашкова Г.А.

Ведущее предприятие

- кандидат технических наук Уткин Л.В.

- СевЗапПроектМебель

Защита диссертации состоится " 1996 г.

в С1 часов на заседании специализированного совета К 063.50.07 в Санкт Петербургской Лесотехнической академии им. С.М.Кирова (194018, Санкт Петербург, Институтский пер.5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан"_"_ 1996г.

Ученый секретарь специализированного совета

Михайлов А. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность теш. В настоящее время на предприятиях дере-обрабатывающей промышленности потери времени, допущенные в зультате использования традиционных способов оперативного [анирования и оперативного управления производством достига-■ до 75% общих потерь.Для обеспечения эффективности систем фавления необходимо разработать процедуры, позволяющие ав->матизировать процессы накопления и изменения знаний об уп-шляемом объекте и в случае необходимости оперативно коррек-фовать модели и алгоритмы управления. Анализ технологических эоцессов. характерных для деревообработки показывает, что энтроль за качеством выполнения операций усложняется тем,. то информация о них принимается как в количественном .так и качественном виде,что требует гомоморфного перехода от одой шкалы к другой.Кроме того, сложность получения и исполь-ования информации заключается в ограничениях по частоте сбо-а ее как в силу отсутствия технических средств, так и в силу аличия одновременно низкочастотных и высокочастотных процес-ов . Отсутствуют четкие зависимости, между целью и фактора-!и, в достоверности которых можно быть уверенным лишь в ходе иссивного эксперимента в производственных условиях . Сами ракторы влияющие на процессы, могут быть неуправляемыми, что ткладавает дополнительные сложности на задачи оптимизации /правления , Для частичного устранения этих проблем предлага-зтся применение алгоритмов управления и вывода решений на основании качественной информации экспертов.Системы, основанные на обработке качественной информации позволяют в данном случае привлечь знания экспертов на этапах подготовки производства и его функционирования,то есть заменить этапы четкой формализации и представления модели и предметной области на нечеткую, в основе которой лежит качественная информация. Привлекательность данного подхода заключается в том,что зависимости между параметрами реального производства могут отличаться от исследований тех же зависимостей в лабораторных условиях, где отсутствуют характерные для реального производства возмущения, кроме того не все параметры возможно описать количественно.

Важность задачи повышения качества выходного продукта з счет повышения качества управления технологическими процесса ми в автоматизированных технологических комплексах, отсутс твие комплексного подхода решения этой задачи на предприятия деревообрабатывающей и мебельной промышленности позволяв считать актуальной постановку вопросов, связанных с разработ кой методики создания моделей и алгоритмов управления качест вом продукта дискретно-непрерывного производства.

Целью диссертационной работы является разработка методик создания подсистемы автоматизированного управления качество! дискретно - непрерывных технологических процессов, использую щей качественные знания и данные об объекте управления.Повыш! ния технико-экономических показателей за счет оперативной I упреждающей брак выдачи рекомендаций о качестве продукта производства находящегося в обработке.

Методы исследований. В работе применены методы системноп анализа.представления знаний, экспертных оценок, принятия решений.

Наичная новизна. Для создания методики построения подсистемы управления качеством предложен комплекс процедур, использующих качественную информацию об объекте:

-описания и формализации предметной области поддержки принятия решений для подсистем оперативного управления качество» производимого продукта в деревообработке и мебельной промышленности,

-оценки согласованности и компетентности экспертов на этапе формализации предметной области (ПО), и выбора обобщение» оценки.

-описания основных связей между элементами ПО и расширение композиционного правила вывода для лингвистического запроса £ процедурах мониторинга, диагноза и прогноза качества продукция

-оценки значимости критериев качества на основании нечетких бинарных сравнений и выбора стратегии управления исходя из нечетких свойств плана выбора. Получение обобщенной оценки качества протекающего технологического процесса и выпускаемого продукта.

Данные процедуры дают возможность обеспечить минимальный набор для подсистемы поддержки управления качеством продукта.

позволяют обойти обработку статистической информации на этапе построения математической модели и воспользоваться практическим опытом лиц, принимающих решение на различных этапах управления.

Практическая значимость полученных результатов. Использование методики позволит создавать подсистемы управления качеством. использующие качественную информацию о объекте управления и формализовать данные связи, которые трудно или невозможно получить или описать точно.

Предлагается модель подсистемы прогноза, которая бы расширяла область возможных запросов и рекомендаций по управлению качеством продукта, упреждая наступление нежелательных событий.

Основные положения вшосимые на защипу :

- методика построения подсистем управления качеством продукта,

- модель предметной области подсистемы "качество",

- процедуры обработки экспертной информации и вывода прогноза качества продукта,

~ результаты использования предложенной методики и процедур для прогнозирования качества отделки щитовых элементов мебели.

Лпробацця работы. Результаты работы использованы в НИР N 2.3.2/1 ГНГП в теме: "Разработка методологических и концептуальных основ создания и реализации элементов системы управления технологическими процессами и поддержки принятия решений для производств деревообрабатывающей промышленности". Основные результаты диссертации докладывались на конференциях: "Современные проблемы автоматизации и внедрения вычислительной техники в целлюлозобумажной и деревообрабатывающей промышленности" ( Всесоюзное научно техническое совещание МЛТИ.М,1990), в докладе "Концепция построения экспертной системы оперативного управления цехом отделки щитовых элементов мебели ", "Природосберегающая лесотехнология и промышленная экология лесного комплекса" (Всероссийская научно-техническая кронференция МЛТИ.М, 1994) в докладе "ЭС оперативного управления с процедурами мониторинга, диагноза и прогноза".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.

Объем, работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиография из 55 наименований, текст диссертации изложен на страницах машинописного текста, в том

числе 10 рисунков, 12 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во ведении показана цель и структура диссертационной работы.

В первом разделе рассматривается комплекс проблем управления качеством производства. Отмечено, что рассматриваемые производственные комплексы характеризуются большим количеством ограничений, критериев, динамической и статической информацией о позициях обработки и движения материальных потоков.Такое количество информации обрабатывать и анализировать одновременно практически очень сложно, поэтому целесообразно разбить эту информацию на группы информации (ГИ), которые и будут характеризовать текущую ситуацию в первом приближении. Например, ГИ "качество" может содержать информацию о качестве продукта, качестве операции, режимных и других показателях в производственной ситуации в определенный момент времени на некотором уровне управления и обрабатываться отдельной процедурой.

Ситуационный подход к решению проблемы управления качеством дает возможность управлять лишь в определенные характерные для дискретного производственного процесса моменты и используя независимость рассмотрения ситуаций изменять или корректировать течение производственного процесса.

Определен круг задач, решаемых при ситуационном оперативном управлении качеством. Задача распознавания ситуации заключается в мониторинге - по группе информации "качество". Задача оценки ситуации состоит из оценки количества брака, динамики отклонения от режимных параметров и показателей качесва. Задача прогноза развития ситуации состоит из использования результатов мониторинга и оценки ситуации, экспертных знаний, статистических закономерностей, а также фактических данных для прогноза ожидаемого качества партий. Выработка управляющих воздействий состоит в выдаче непосредственного сигнала на управление в любом виде, выдаче плана рекомендательных решений с оценками ситуации. Значение выдаваемого решения или значения сигнала при этом определяется на основании критерия пес-

имизма и анализа полной ситуации.

Даются определения способствующее формулировке общей зада-го управления качеством производства-в целом и продукта про-1зводства в частности. Под качеством понимается интегральная сарактеристтса, которая складывается из ряда взаимосвязанных 1ежду собой компонентов, часть которых в отдельности.не изменяется методами количественного анализа; а контролируется визуально человеком.

Отмечено, что четкие модели управления не всегда могут учесть все многообразие факторов, влияющих на качество конечного продукта. В силу сложности учета этих факторов невозможно представить процесс управления формальной моделью, так как этот процесс часто эвристичен, основан на человеческих рассуждениях и опыте, кроме того, формальные системы ограничены в средствах самообучения.Здесь необходимо использование таких математических моделей, которые допускают описание не полностью определенных данных, обеспечивают их доопределение в процессе принятия решений и обладают средствами выражения семантики и прагматики задач. На сегодняшний день существует много способов формализации качественной информации, однако наиболее перспективным для объявленных выше целей можно считать приложение теории нечетких множеств.

Нечеткие отношения позволяют моделировать плавное, постепенное изменение свойств а также неизвестные функциональные зависимости, выраженные в виде качественных связей. Особое место нечеткие множества играют в ситуациях принятия решений цели, ограничения и критерии выбора в которых субъективны.

Уменьшение до известных пределов различия между субъективной информацией и объективной можно достигнуть применением метода экспертных оценок, разработкой критериев и правил вывода.

Во втором разделе показаны элементы модели управления качеством. Выбран способ представления знаний и описания предметной области. Технологический процесс (ТП) здесь рассматривается как инструмент получения продукта труда заданного качества путем воздействия на исходные материалы последовательными действиями, выполняемыми на последовательных операциях (этапах производства). Каждая операция характеризуется ,

вектором параметров, а ее выходной материальный поток харак теризуется вектором идентификаторов качества. На качество ко нечного продукта влияют параметры операций в совокупности качеством входных материалов и внешней среды.

Приведен список знаний о ТП дискретно-непрерывного тип исходя из предположения, что операции могут рассматриваться нашем случае как последовательные:

Знания о ТП:

Знание 1:ТП состоит из операций.

Знание 2:ТП вырабатывает продукт заданного качества.

Знание 3:В ТП используются исходные материалы.

Знание 4: Операция характеризуется названием , местом 1 ТП. списком параметров режима, качества операции, входных ма териалов.

Знание 5: Параметр режима характеризуется названием, принадлежностью к операции . количественными и качественным! шкальными значениями.

Знание 6: Параметр качества операции характеризуется названием. принадлежностью к операции, количественными и качественными шкальными значениями. Смысловое значение его - степень возможности появления вида дефекта, ведущего к немедле! ному выходу продукта из дальнейшей обработки или изменен*! желаемых свойств продукта.

Знание 7: Параметр качества продукта характеризуется названием , количественными и качественными шкальными значениями.

Знание 8: Связь между качественными и количественными шкалами параметров представляется в виде лингвистической переменной.

Знание 9: Операциям соответствуют параметры режима и параметры качества операции.

Знание 10: Список наименований параметров качества операций един для всех операций ТП.

Знание 11: Списки параметров режима закреплены за соответствующими операциями из-за разнородности шкал.

Знание 12: Определенное свойство (параметр качества) выходного продукта можно изменить на некоторых операциях путек варьирования определенных режимных параметров данных операций.

Знание 13: Входные материалы подаются на первую и последующие операции и их свойства (параметры качества) определенным образом влияют на зависимые от них показатели качества выходного продукта.

Знание 14: Изменение параметра режима на одной операции, ведущее к понижению некоторого свойства качества может быть скомпенсировано изменением параметров режима на последующих операциях.

Знание 15: Параметры режима или качества материалов влияющие на соответствующие показатели качества операции или продукта могут взаимно усиливать или ослаблять друг друга.

Знание 16: Связь между параметрами задается в виде отношений.

Сформулированы задачи формирования модели знаний:

1.Если:знач. (р(1)тек)* рШ), то найти знач. (хо(З)прог). цель - определить отображение Р-ЖО.

2.Если :знач. ОсоШтек)* ко1Ш. то найти знач. (кр(З)прог). цель - определить отображение КО-ЖР.

3.Если :знач. (трШтех)* трШ). то найти знач. (ко(З)прог). цель - определить отображение МР-ЖО.

4:Если :знач. (кр(1>прог)*кр1, то определить коррекцию знач. (р(З)кор), при отклонении р(1) К;). цель найти отношение КР-Р-Р

Здесь: знач.(р(1)тех). знач. (трШтек). знач. (крШтек) -сущность отражающая текущее значение соответствующей переменной. р(1)еР2. горШеМР2.кр(ШКР2;знач. (ко(З)прог), знач. (крШпрог) - прогнозируемое значение. ко(1)еК02.кр(1)ЕКР2 ;знач. (р(З)кор) - значение для последующей коррекции технологического режимного параметра . О - множество наименований операций. Р - множество наименований параметров операций, М -множество наименований входных материалов. МР - множество наименований параметров входных материалов. КО - множество наименований показателей качества операции. КР - множество наименований показателей качества продукта. I - множество, состоящее из лингвистических приставок типа -значительно", "близко", "выше" . Р1, Р2 - дискретные множества значений параметров из множества Р1 с значениями нормальных Р1 режимных показателей и их возможных значений Р2. Р1еР2. МР2- дискрет-

ное множество значений параметров материалов из MPI. К02.КР2 - дискретные множества значений показателей качества из множеств КО и КР. Тогда LP=LUP, LKO=LUKO, LKP=LUKP, LMP=LUMP -множества наименований лингвистических переменных, составляющих ядро ПО (терм множества соответствующих Переменных).

: Определена,ПО системы поддержки качества, исходя из знаний о ТП.Модель ПО исходя из определенных множеств можно записать:

П0={А, L, U, PR1. R, PR2) А=(0, Р, M, КО, КР, Ш U= { Р2, МР2, К02, КР2, N),

где N - множество индексов, PR1 - правила объединения базовых множеств А и L, R={A*,B*.C*}, PR2 - правила формирования и описания связей.

Задачи вывода решений системы поддержки качества представлены в виде системы продукций типа:

3.1: /Влияние параметров режима ТП на качество операции/

I - "Задача 1" Q - Связь(Реж(0п)*Кач(0п)) Р - Номер(0п)=1, Номер(Пар), Номер(Кач(On))=q

знач(рЦ,3)тек) *pl(i,j) , AAl(j,q) = i=l , NO ; j=l, NP ; q=l , NKO Если al(i.j)=l & a2(i,q)=l & aal(j,q)=l , то constKO(i,q)=constP(i,j) Cl(j.q) i=l , N0 : j=l . NP constKO(q)=comb(constKO(j,q)) q=l , NKO где const - фиксированное значение качества операции, а# - вид четкого отношения. Cl - нечеткое отношение. N - Выдать список "знач(ко(1,ч))=" q=l,NK0 i=l.N0 Смысл задачи заключается в поиске отклонений в режимных параметрах ТП и определения их влияния на показатели качества операций по операциям.

В третьем разбеле рассмотрены процедуры, используемые в методике. Дан алгоритм построения и функционирования управления качеством продукта с использованием интеллектуальной системы, содержащий этапы:

1.Формирования словаря сущностей подсистемы поддержки качества ТП.

2.Описания лингвистических вариаций сущностей.

3. Описания сущности в интервальной шкале.Для тех показателей качества, которые нельзя выразить непрерывной функцией, предлагается ввести понятие "возможность" (вероятность) возникновения того или иного дефекта или события, "степень" проявления.

4. Построения гомоморфного отображения лингвистической шкалы в числовую.

5. Описания связей между множествами параметров.

6. Описания связи в виде нечеткого графа или нечеткого отношения для каждого четкого отношения из п.5.

7.Определения системы правил извлечения вывода.

8. Запоминания знаний и программирования процедур вывода.

9. Мониторинга параметров качества входных материалов с частотой равной циклу их жизнеспособности. Если параметры материалов отличаются от нормы, то дать предположение о качестве выходного продукта в отклонениях от нормы. Если данные отклонения беспокоят лицо принимающее решение, то определить возможность компенсации последствий путем изменения значений лингвистической переменной и пересчитать соответствующие нечеткие отношения.Перейти к п.4-6-10.

10. Мониторинга режимных показателей ТП для каждой операции с частотой минимальной по времени операции ТП, для тех параметров для которых есть датчики и равной циклу ТП, для которых нет.

11. Если есть отклонение от нормы параметра режима, то определения на какой из показателей качества операции и показателей качества продукта он влияет и как. Предусмотреть процедуру определения взаимного влияния.

12.Определения портрета текущей ситуации.Если значения пока- зателей качества определенные системой внушают опасение за качество операции или продукта, то рассмотреть задачу с обратными связями, то есть выявить те параметры, которые можно изменить,чтобы скомпенсировать ухудшение параметров качества на последующих операциях . То есть, скорректировать функцию степеней принадлежности соответствующих режимных параметров и пересчитать нечеткие отношения. Перейти, в этом случае, к пункту 4-6-13.

13.Сравнить прогноз с текущей ситуацией и если есть расхож-

дения в снижении качества, то запомнить виде сценарий для дальнейшего анализа инженера по знаниям или использования в автоматических процедурах коррекции.

14.Возвратиться к п. 9 или 10 (в зависимости от завершенности цикла ТП).

Для данных эталов предложены процедуры, позволяющие их реализовать. Основной проблемой создания интеллектуальной системы является механизм вывода, который предложено реализовать одним из способов построения нечетких отношений.

Известно, что формализация нечеткого отношения может выполняться методами логической оценки и одним из количественных .

В первом случае на основании пар отношений значений взаимосвязанных сущностей формулируется высказывание:

"Если А1 то В1, иначе, если А2 то В2____и т.д."

где А и В - нечеткие подмножества, описывающие значения сущностей. Формализация предложения выполняется по уравнению:

Н=А1*В1иА2*В211.. .11Ап*Вп (1) с применением декартова произведения и объединения нечетких подмножеств. Тогда

Тогда цг,к (и(1).и(2)) = {т1п [ра(и(1)1).рь(ц(2)л)]) (2)

ч(1)е Ш . и(2Н иг Во втором случае нечеткое отношение вычисляется с помощью правила комбинирования по рекурентному уравнению:

Мг-к (и(1).и(2)) =сотЫз*цг.к (и(1),и(2)): (1-б)* т1п[дх ^ (и(1))

Му, к (и(2))]} (3)

где к- шаг измерения, б- параметр динамики комбинирования [0,1] Операция комбинирования может иметь несколько форм: сотЬ[г(1),г(2)]=2(1)+2(2) согаЬ[г(1).г(2)]=г(1)*г(2) сотЬ[г(1),г(2)]=тах{2(1).г(2)) Такая процедура применима в процессе самообучения системы, так как нечеткое отношение как бы накапливает опыт о форме связи двух величин в процессе ввода информации. С другой стороны, можно ее использовать и на начальной стадии - настройке системы с использованием обратной связи.

Прогнозирование качества включает в себя измерение свойс-

тва. а с другой стороны, измерение собственно качества есть измерение комплексного сложного свойства, каковым является качество.Таким образом, рассматривая критерий качества операции как часть оценки качества продукта, определим качество продукта в виде свертки его составных частей с , определенными весовыми коэффициентами. За основу построения типологии моделей свертывания взята классификация критериев эффективности Ю.Б.Геремейера.

Тогда, оценка ko2(i) = шах ( ko2(i, j)), j=l,n ,i=l,m (4) где n-количество причин могущих вызвать следствие ko2(i) m-количество показателей качества операции kp2(i)=max(ko2(j)*w(i,j)) (5) где w(i,j) - вес j-oro показателя качества операции в i-ой,оценке.

kp =max(kp2(j)*v(3)) <6) где ко2-показатель с максимальным коэффициентом,

v(j) - вес з-ого показателя качества в общей оценке. В четвертом разделе рассмотрен пример создания элементов системы поддержки принятия решения при управлении качеством в технологическом процессе отделки, приведены результаты работы ряда процедур. На рисунке 1 показаны связи между сущностями в ТП отделки с использованием отверждения ультра-фиолетовыми лучами.В диссертационной работе представлены результаты обработки экспертных данных, получения нечетких отношений, проверки вывода прогнозных значений качества операций и продукта, исходя из определенной текущей ситуации. Рекомендации выдаются в виде прогнозируемого качества продукта с указанием "критических" операций и параметров, которые за это ответственны. Показана возможность использования процедур для вывода рекомендательных решений по управлению качеством выпуска продукта.

Рис.1. Причинно-следственные связи в ТП отделки ЛКМ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

*

1.При разработке подсистемы управления качеством продукта в производствах дискретно-непрерывного типа исследованы задачи управления качеством выпускаемого продукта, установлена целесообразность использования предлагаемой методики описания ПО, процедур обработки информации и вывода прогноза.

2.Разработаны модель управления качеством, методика создания подсистемы управления качеством, модель ПО, процедуры обработки информации и вывода прогноза качества продукта находящегося в процессе обработки.

3.Область применения методики - ТП с большим количеством связей, часть из которых не может быть формализована четкими процедурами, либо функция качества не имеет четко выраженных

критериев.

4. Описание ПО и механизмов вывода для задач управления качеством может быть проведено с использованием понятий и методов нечеткой математики, что наиболее соответствует смыслу задачи и позволяет построить диалоговый интерфейс общения с пользователем на профессиональной лексике.

5.Критерием качества производимого продукта выбирается векторная свертка показателей качества соответствующих операций.

6.Разработанные процедуры позволяют создавать подсистемы управления качеством, обеспечивать настройку на конкретный ТП, повышать технико-экономические показатели производства за счет оперативного и упреждающего брак вмешательства в ход ТП и определения возможного качества выпускаемого продукта, что уменьшает затраты на определение категорий качества традиционными способами.

ПЕРЕЧЕНЬ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1.Втюрин В. А. .Пашковский И. В. Концепция построения экспертной системы оперативного управления цехом отделки щитовых элементов мебели./ Современные • проблемы автоматизации и внедрения вычислительной техники в ц. б. и д.о. промышленности. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания. МЛТИ.М. 1990.

2. Пашковский И. В.К вопросу оперативного управления технологическими процессами в деревообрабатывающей промышленности/ Автоматизированные технологические комплексы в лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности. Меж-вуз.сб.научн.тр. ЛТА. СПб., 1993.

3.Втюрин В. А. .Пашковский И.В.Экспертные системы ОУ с процедурами мониторинга, диагноза и прогноза./Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов.Т1. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания.МЛТИ, М, 1994.

Просим принять участие в работе специализированного совета К 063.50.07 или прислать Ваш отзыв на автореферат в Двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194018, Ленинград, Институтский пер. 5, Лесотехническая академия. Ученый совет.

Подписано в печать с оригинал-макета 13.05.96 г. формат 60*90 1/16. Бумага оберточная. Печать офсетная. Изд. ШОа. Уч.-изд. л. 1,0 Печ. л. Тираж 100 экз. Заказ 30. Бесплатно. Редакционно-издательский отдел ЛТА

Подразделение оперативной полиграфии ЛТА 194018, Санкт-Петербург, Институтский пер. ,3