автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Структурирование технологических знаний о производстве радиоэлектронной аппаратуры с применением метода ситуационного управления

Федеральное агентство по образованию

Московский авиационный институт (государственный технический университет)

На правах рукописи

Васильева Татьяна Юрьевна

СТРУКТУРИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ О ПРОИЗВОДСТВЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА СИТУАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05 13 06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в электронике, радиотехнике и связи)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2007г

003174606

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете)

Научный руководитель

- кандидат технических наук, доцент Дембицкий Н Л Официальные оппоненты

- доктор технических наук, директор НТЦ ОАО «Завод «Автоприбор» Руфицкий М В

- кандидат технических наук, руководитель группы НИР ЗАО НТЦ «Рисса» научно-производственного предприятия Кусов П Г

Ведущая организация

ОАО «Радиотехнический институт имени академика А Л Минца»

Защита диссертации состоится « 6 » ноября 2007 года в_часов на заседании

диссертационного совета Д 212 125 02 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) «МАИ» по адресу 125993, г Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д 4

Отзыв по работе, заверенный печатью, в 2-х экземплярах просьба направлять по указанному адресу в диссертационный совет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ

Автореферат разослан 4 октября 2007 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.125 02

доктор технических наук, профессор

Назаров А В

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последние годы наблюдаются радикальные структурные изменения существовавших ранее систем управления

технологическим процессом производства (ТПП) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) Общая тенденция современного общества — нехватка высококвалифицированных кадров, повышение требований к интенсивности работы предприятий и качеству выпускаемой продукции, рыночная конкуренция вынуждают руководство предприятий рассматривать вопросы внедрения в производство все более совершенные программные комплексы

В настоящее время создано большое количество высокоэффективных средств и систем, решающих задачи технологической подготовки и управления производством Однако требования, предъявляемые к современному производству, ставят новые сложные задачи, которые невозможно решать без применения средств и методов искусственного интеллекта (ИИ)

Необходимость применения ИИ в производстве РЭА обусловлена ростом масштаба работ по интенсификации и компьютеризации технологического производства, комплексной автоматизацией интегрированного управления функционированием технологических процессов, а также в последовательной увязке по иерархическим уровням, интеграции в единую систему сбора и обработки данных с целью повышения качества и эффективности всех звеньев управления производством

Сравнительная характеристика программ с искусственным интеллектом и традиционных программных комплексов говорит о преимуществах ИИ по характеру исходной информации, поиску, структуре, модернизации нечеткой информации, что существенно при проектировании ТПП РЭА

Одним из разделов области ИИ являются системы обработки знаний, в частности - экспертные системы (ЭС), позволяющие эффективно решать задачи поддержки принятия решений, основанных на знаниях специалистов-экспертов Так как в области автоматизации управления ТПП РЭА необходимо интегрировать большой объем накопленных знаний, то применение ЭС значительно упростит решение данной задачи

Исследования в области ИИ и ЭС показали эффективность применения интеллектуальных систем поддержки принятия решений, основанных на экспертных

знаниях, для решения технических задач Основные результаты данных исследований — обобщенные модели исследуемых областей знаний, модели имитации профессиональной деятельности специалистов - экспертов, алгоритмы методик преобразования информации на основе экспертных оценок, правила построения информационного пространства в компьютерной среде и т д

Разработка ЭС ТПП РЭА требует привлечения большого количества специалистов, как технологического профиля, так и специалистов по преобразованию экспертной информации - инженеров по знаниям Одной из главных причин высокой трудоемкости, стоимости и времени подготовки подобных систем является отсутствие и недостаточная проработка методик взаимодействия специалистов в данном процессе Как отмечается в ряде работ, эта задача в настоящее время недостаточно формализована и поэтому является камнем преткновения в разработке ЭС Таким образом, возникает необходимость в проведении исследований и разработок в данном направлении, то есть в учете специфических особенностей и детальном анализе предметной области - ТПП РЭА

Цель работы - повышение эффективности автоматизации технологической подготовки производства РЭА средствами экспертных систем путем накопления и использования знаний специалистов Для достижения поставленной в работе цели потребовалось решить следующие задачи

• провести исследование моделей представления знаний о ТПП РЭА,

• провести исследование методов преобразования поля знаний при создании ЭС,

• разработать методы структурирования поля знаний ЭС ТПП РЭА,

• разработать методику структурирования баз знаний ЭС ТПП РЭА Область исследования — теоретические основы, методы и алгоритмы

построения экспертных и диалоговых подсистем, включенных в АСУТП, АСУП, АСУПП

Объект исследования - ТПП РЭА Методы исследования:

Теория искусственного интеллекта, теория ЭС, теория графов, теория инженерии знаний, теория нечетких множеств, теория принятия решений и метод ситуационного управления

Научная новизна данной работы:

• проведенные исследования показывают, что структурные и функциональные свойства ТПП РЭА позволяют при накоплении знаний в данной предметной области применять формализованные процедуры, основанные на структурировании информации и ситуационном управлении,

• на базе проведенного исследования предложен подход к решению задачи преобразования технологических знаний, который позволяет согласовать и подчинить строгим правилам процесс извлечения и дополнения экспертной информации, необходимый для разработки систем на языках представления знаний,

• предлагаемые методы в отличие от существующих ранее подходов вводят стандартизованные формы и модели представления технологической информации в виде таблиц, графов и алгоритмов

Значимость полученных результатов для теории и практики. В работе рассмотрены теоретические и практические вопросы решения задач структурирования знаний ЭС ТПП РЭА

Разработанная методика преобразования технологической информации, позволяет значительно повысить качество и эффективность процесса создания ЭС ТПП РЭА Ее реализация применительно к решению технологических задач позволяет решить часть проблем, возникающих на современном предприятии Программное обеспечение, разработанное в рамках диссертационной работы, нашло свое применение в ряде инженерных проектов, ориентированных на решение задач формализации экспертных технологических знаний, документооборота и информационно-справочного обеспечения Предложенная методика может использоваться для решения задач, как технологического характера, так и для решения общих задач организации производства

Практическая значимость диссертации подтверждается актами о внедрении результатов исследования

• В технологическом отделе ОАО «Радиотехнического института имени академика А Л Минца» г Москвы

• В технологическом отделе ГУП «Опытного завода №408 ФАС России» г Москвы

• В технологическом отделе ОАО НПО « ЛЭМЗ» г Москвы

Реализация результатов работы. Представленные в работе результаты были успешно реализованы в виде программ «Экспертная система проектирования технологических процессов производства деталей РЭА» и «Экспертная система по определению набора оптимальных типовых технологических процессов для изготовления субблоков», написанных с использованием фактов и правил программной оболочки Fuzzy CLIPS 6 04

Разработанная в диссертации методика структурирования баз знаний ЭС ТПП РЭА включена в стандарт предприятия «Правила разработки технологических процессов» СТП408-14-005-80 - ГУП «Опытного завода №408 ФАС России» г Москвы

Программа «Экспертная система по определению набора оптимальных типовых технологических процессов для изготовления субблоков» зарегистрирована отделом регистрации программ для ЭВМ Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (№2007611880) Правообладателем исключительного права на которую является ОАО «Радиотехнический институт имени академика А Л Минца» г Москвы

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях

• на юбилейной научно-технической конференции молодых ученых, посвященная 60-летию факультета «Радиоэлектроника летательных аппаратов» МАИ «Информационные технологии и радиоэлектронные системы » (Москва, 25 мая 2006 г ),

• на юбилейной научно-технической конференции, посвященной 60-летию ОАО «Радиотехнического института имени академика А Л Минца» и факультета «Радиоэлектроника летательных аппаратов» МАИ «Инновации в радиотехнических информационно-телекоммуникационных технологиях» (Москва, 24 — 26 октября 2006 г ),

• на всероссийском молодежном научно - инновационном конкурсе -конференции «Электроника 2006» (Зеленоград, 30 ноября 2006 г),

• на научно-технической конференции молодых ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы » (Москва, 19 апреля 2007 г) Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных статей,

список которых приводится в заключительной части автореферата

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 112 наименований, и 8 приложений Основная часть работы изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 14 рисунков, 11 формул и 12 таблиц

Основное содержание работы.

Во введении обоснована необходимость разработки компьютерных систем поддержки принятия решений в области ТПП РЭА, а также, формируется цель и основные направления исследований - исследование моделей представления знаний о ТПП РЭА и методов преобразования информации при проектировании ЭС

В первой главе проведено исследование закономерностей, свойств и методов автоматизации проектирования ТПП РЭА Рассмотрен метод проектирования ТП без прототипа, как наиболее сложный, где опора идет на общие закономерности проектирования, технологии и эвристики, справедливые для ограниченного класса изделий РЭА и условий их производства, а также достоверные критерии оценки решений, сформулировать которые может только технолог-эксперт

Проведен анализ современного состояния информационного обеспечения поддержки ТПП РЭА Показано, что существующие программные комплексы, как отечественных, так и зарубежных разработчиков, позволяют оказать значительную поддержку по расчету технологических параметров Однако особенности ТПП РЭА - усложнение схемных и конструктивных решений, функциональных связей вместе со значительным увеличением численности элементов - создают большие

трудности процесса формализации знаний, что объясняет невозможности использования существующих компьютерных систем без профессиональных знаний и большого опыта работы Для работы с информационным потоком на производстве предложено рассмотреть программы, построенные на принципах ИИ -ЭС, так как традиционное программное обеспечение не предусматривает достижения результата проектирования, сравнимого с результатами работы экспертов - модификации целей и методов их достижения, предпочтений при функционировании ЭС, представление проектировщику средств пополнения знаний, разрешения противоречий и т д

Проведен сравнительный анализ существующих методик разработки ЭС, который показал, что на современном этапе сложилась определенная технология их разработки, включающая шесть основных этапов -идентификация и концептуализация проблемы, формализация экспертной информации, реализация прототипной версии ЭС, опытная эксплуатация ЭС, перепроектирование прототипной версии ЭС

Показано, что в существующих методиках дан лишь обобщенный подход к работе с полем знаний - неформальным описанием проблемной области, а также формализации знаний — разработке базы знаний на языке, соответствующем структуре поля знаний

Проведен анализ существующих методик создания ЭС и выявлен ряд недостатков (требуются дополнительные исследования и построения моделей и методов преобразования экспертной информации в поле знаний на этапах концептуализации и формализации)

В данной главе также проведен анализ новейших разработок в области интеллектуальных систем для решения технических задач, который показал, что в области работы с полем знаний и методики создания ЭС ТПП РЭА задача разработки и промышленного применения интеллектуальных систем и поддержки принятия решений остается не решенной

Во второй главе проведено исследование и разработка методов представления поля экспертных знаний

Так как ТПП РЭА обладает иерархией понятий, внутриэлементными и межэлементными связями, то требуется использовать методы объектно-структурного анализа экспертной информации, для оптимизации которой используется алгоритм, представленный в виде матрицы объектно-структурного анализа (ОСА), позволяющей сформировать концептуальную и функциональную структуры технологических знаний Однако рассмотренный метод представления знаний не дает четкого определения стратегии принятия решений и структурирования поля знаний, то есть представляет собой систему процессов управления принятием решений экспертом Поэтому для стадии определения отношений, стратегии принятия решений и структурирования поля знаний рассмотрены концепции систем ситуационного управления, которые включают анализ объектов управления и формирования информационного описания процессов принятия решений

В результате проведенных исследований разработаны следующие методы структурирования информации о ТПП РЭА

• построения блок-схемы дуальной стратегии проектирования,

• разработки матрицы объектно-структурного анализа,

• построения графа многошагового вывода решений,

• построения системы принятия решений

Рассмотрим подробнее разработанные методы

Метод построения блок-схемы дуальной стратегии проектирования Данный метод позволяет провести обобщенное структурирование имеющейся экспертной информации, распределить на уровни и установить возможные взаимосвязи между объектами информации - технологический процесс, технологические операции, технологическое оборудование, материалы и тд (см рис 1)

Метод разработки матрицы объектно-структурного анализа (ОСА) Для уточнения экспертной информации разрабатывается матрица ОСА (см табл 1), состоящая из уровней (технологический процесс, часть процесса, операции, оборудование, материалы и т д) и слоев (назначение технологической

операции, исполнитель, особенности предприятия, особенности РЭА, цех, отдел,

очередность процесса, обоснование выбора данного варианта решения и т.д.).

Таблица 1.

Пример матрицы ОСА для структурирования поля знаний ЭС ТПП РЭА.

процесс части операции оборудование материалы

проце( са

назначение

исполнитель

варианты решений (особенности предприятия- производителя)

варианты решений (особенности РЭА)

цех, отдел

очередность

обоснование выбора данного варианта решения

Метод построения графа многошагового вывода решений. Граф многошагового вывода решений, позволяет графически выразить взаимосвязь действий и объектов, на основе данных, отраженных в матрице ОСА (рис.2). Для построения графа выбрана структура принятия решений - конъюнкция элементарных структур принятия решений - СПР4 - так как требуется обобщить множество действий, реализация которых соответствует определенному уровню принятия решений, что необходимо для учета особенностей производства РЭА. Далее по этим данным строится базовый имитационный сценарий описания задач принятия решений.

\У(2э) = <(Ха,ХЬ, ... Х1Г) с < Мэь и ЛТШ > , (1)

¡=1,к

где XI - множества понятий,

М Б! - структура принятия решений, ЛТШ - логико-трансформационные правила.

т е совокупность описаний понятий и всех логико-трансформационных правил,

интерпретирующих СПР4

Индуктивная стратегии

8-I

3-

Дедуктивная стратегия

А Итаящс |

Рис 1 Блок-схема дуальной стратегии проектирования технологического процесса

(3 - Имя деистбия | | - Имя обьекто действия

— операционная сбяэв

- объектная сбязь

Рис 2 граф многошагового вывода решений

Метод построения системы принятия решений

Преобразование графа многошагового вывода в систему принятия решений (см рис 3)

00=<0в,0с,0н> (2)

Задача формирования вв - информация о процессе функционирования объекта управления — технологического процесса (число уровней вв - это число моделируемых уровней управления, а число вершин — число классов объектов, включенных в процесс принятия решений)

Ш - Ш - Уровни матрица ОСА -этапа проектирования ТПП РЭА

] Б2 5/ - 5л - Страта матрица ОСА -

'5 " Критерии Мора, исходные даннае КГ

К? К1 - Кп - Классификатор решении ■ КЗ

этапа принятия решений

Рис 3 Система принятия решений

Задача Сн - классификатор типовых решений по управлению, обозначаемых именем действия, которые необходимо выполнить в соответствующем классе ситуаций

Граф вс — характеристики выполнения действий гипотетического характера (расчет, прогнозирование, моделирование подпроцесса, оценка состояния смежных подсистем или объектов, оценка вариантов)

Третья глава посвящена разработке методики структурирования баз знаний ЭС ТПП РЭА с использованием готовой программной оболочки

Методика структурирования баз знаний ЭС ТПП РЭА.

(Основные этапы).

1 Произвести обобщенное структурирование экспертной информации — построить граф, отражающий дуальную концепцию функциональной структуры баз знаний

2 Уточнить экспертную информацию для системной увязки технологических параметров - построить матрицу объектно-структурного анализа (ОСА)

3 Записать структуру принятия решений и базовый имитационный сценарий описания задач - построить граф многошагового вывода решений

4 Преобразовать граф многошагового вывода решений в граф принятия решений

5 Осуществить выбор программного обеспечения ( программной оболочки) для продукционной модели представления знаний

6 Создать блок - схему программы ЭС на основе выбранной программной оболочки - учесть функции диалога с пользователем, вывод комментариев и итоговых решений работы ЭС При этом правила ПО структурируются согласно графу принятия решений (п 4 данной методики)

7 Составить листинг программы ЭС ТПП РЭА с учетом конструктивных особенностей программной оболочки

8 Составить четкую инструкцию для пользователя программы ЭС ТПП РЭА Первые четыре этапа методики - методы, разработанные во второй главе

Пятый этап - выбор программной оболочки для продукционной модели представления знаний о ТПП РЭА - описывает набор требований, необходимый для выбора программной оболочки с учетом ее назначения

Шестой этап - требования для создания алгоритма обработки знаний в программной оболочке позволяющий структурированную с помощью разработанного метода построения системы принятия решений, информацию о технологическом процессе представить в виде системы функций и правил программной оболочки (см рис 4)

Рис 4 Алгоритм обработки знаний в программной оболочке на основе продукционных правил

Седьмой и восьмой этапы описывают рекомендации по составлению листинга программы и инструкции пользователя, что необходимо для возможности ее редактирования и эксплуатации

В четвертой главе представлена практическая реализация методики структурирования баз знаний ЭС ТПП РЭА на примере преобразования экспертной информации по выбору материалов для изготовления печатной платы (ПП) усилителя звуковой частоты

На основе исходных данных выбрано несколько независимых направлений исследований, которые требуется произвести для решения поставленной задачи Каждое направление исследования разбивается на несколько уровней Переход к каждому уровню происходит после исследования критериев, которые сверяются

• с исходными данными,

• данными, полученными на предыдущем этапе исследования, дополненными согласно требованиям ГОСТ 23752-86,

• запросами к пользователю системы

Произведено структурирование экспертной информации разработанными методами

Далее произведен выбор программной оболочки для продукционной модели представления знаний

Определено, что, несмотря на большой выбор программных средств, наиболее распространенным языком представления знаний является CLIPS Более 80% экспертных систем используют именно его

Рассмотрены достоинства и недостатки приложений языка CLIPS , а также произведен выбор наиболее подходящей оболочки- FUZZYCLIPS 6 04 для реализации рассматриваемой в диссертации ЭС и сформированы этапы разработки базы знаний и правила структурирования знаний для оформления листинга программы

Представлены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие работоспособность разработанной методики структурирования баз знаний ЭС ТПП РЭА Представлена практическая ценность результатов

диссертационной работы - основные этапы апробации и внедрения ЭС в производство РЭА

В заключении подведены итоги проделанной работы, сформулированы основные результаты и направления дальнейших исследований Основные результаты диссертационной работы:

• проведено исследование структуры технологических знаний производства РЭА, которое показало, что технологические процессы имеют иерархическую структуру, дуальную стратегию проектирования, а также требуют обязательного учета взаимосвязи особенностей производства и конкретного предприятия- производителя РЭА, что позволяет использовать эти свойства для формализации приобретенных знаний в процессе разработки ЭС,

• предложены взаимосвязанные методы поэтапного преобразования знаний о ТПП РЭА, позволяющие дополнить, структурировать и формализовать экспертные знания,

• предложен алгоритм обработки знаний в программной оболочке на основе продукционных правил, позволяющий структурированную с помощью разработанного метода построения системы принятия решений, информацию о ТПП представить в виде системы функций и правил программной оболочки

• разработана методика структурирования баз знаний ЭС ТПП РЭА, осуществляющая переход от структурного представления ТПП РЭА к его представлению в виде программы системы обработки знаний, что позволяет в отличие от существующих методик создания ЭС значительно сократить время и уменьшить трудоемкость процесса получения и преобразования экспертных знаний,

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов.

Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, базируются на корректном использовании теории искусственного

интеллекта, теории экспертных систем, теории графов, метода ситуационного

управления, теории нечетких множеств и теории принятия решений

Достоверность научных результатов подтверждается соответствием

теоретических моделей и практически полученных результатов, а также внедрением

в промышленность

Список опубликованных работ по теме диссертации.

1 Васильева Т Ю Применение интеллектуальных систем при проектировании устройств с использованием интегрированного подхода к управлению технологическим процессом на производстве // «Актуальные проблемы современной науки», 2006, №1(28), с 192 - 197

2 Васильева Т Ю Управление технологией проектирования изделий на производстве с использованием современных программных комплексов // «Техника и технология», 2006, №1(13), с 23-26

3 Васильева Т Ю Применение экспертных систем при управлении технологическим процессом производства РЭА // «CHIP news - инженерная микроэлектроника», 2006, №2, с 30 - 37

4 Васильева Т Ю Моделирование структуры экспертной системы проектирования технологических процессов производства РЭА // «CHIP news - инженерная микроэлектроника», 2006, №6, с 60 - 61

5 Васильева Т Ю , Дембицкий Н JI Экспертная система технологического процесса для единичного и мелкосерийного производства РЭА // Вычислительная техника Информационные технологии Электронный журнал «Труды МАИ», 27 июля 2006, №24

6 Васильева Т Ю Управление технологией проектирования изделий на современном производстве с использованием программных комплексов // «Приборостроение и средства автоматизации», 2006, №3, с 65-67

7 Васильева Т Ю Применение интеллектуальных систем при проектировании устройств и с использованием интегрированного подхода к управлению технологическим процессом на производстве // «Приборостроение и средства автоматизации», 2006, №4, с 64-68

8 Васильева Т Ю, Дембицкий Д Н , Дембицкий Н Л Оболочка экспертных систем проектирования радиоэлектронных средств // «CHIP news - инженерная микроэлектроника», 2006, №8, с 60 - 62

9 Васильева Т Ю Экспертная система технологического процесса для единичного и мелкосерийного производства РЭА // «Информационно-измерительные и управляющие системы», 2006, №11, т4, с 58-60

10 Васильева ТЮ Структура экспертной системы проектирования технологических процессов производства РЭА //Инновации в радиотехнических информационно - телекоммуникационных технологиях Юбилейная научно - техническая конференция Сборник докладов в 2-х частях Часть 1 - М , Издательство ЗАО «Экстра Принт», 24 - 26 октября 2006, с 297-302

11 Васильева Т Ю Инновации в проектировании технологических процессов производства РЭА // Всероссийский молодежный конкурс - конференция «Электроника 2006» тезисы докладов конференции М МИЭТ, 2006, с 74

12 Васильева Т Ю Оценка экономической эффективности внедрения экспертных систем в производство РЭА К «CHIP news — инженерная микроэлектроника», 2007, №5, с 15 - 16