Экспертные системы. Проектирование ТП методом синтеза
Лекция 8. Экспертные системы. Проектирование ТП методом синтеза
Экспертные системы
Экспертные системы (ЭС) – сложные программные комплексы, аккумулирующие знания специалистов в конкретной предметной области и тиражирующие этот эмпирический опыт для решения задач и консультации менее квалифицированных специалистов. Они позволяют проектировать ТП в автоматическом и автоматизированном режимах. В автоматическом режиме–для однотипных деталей на основе типизации и для легкоформализуемых задач при методе синтеза. Автоматизированный режим применяется при использовании метода синтеза, когда трудноформализуемые задачи решаются в диалоге.
Представление, накопление знаний и поддержание их в актуальном состоянии – сложная задача, исследуемая в разделе информатики, которая называется инженерией знаний. Инженер по знаниям участвует в разработке базы знаний – ядра систем, называемых интеллектуальными. Чаще всего интеллектуальные системы применяются для решения сложных задач, где основная сложность решения связана с использованием слабо формализованных знаний специалистов-практиков и где логическая (или смысловая) обработка информации превалирует над вычислительной. ЭС – это наиболее распространенный класс интеллектуальных систем, эффективный в областях, где важны эмпирические (основанные на опыте) знания.
ЭС включает в себя следующие подсистемы.
База знаний (БЗ) – ядро ЭС, совокупность знаний предметной области, записанная на машинный носитель в форме, понятной эксперту и пользователю-технологу (обычно на некотором языке, приближенном к естественному). Параллельно к такому «человеческому» представлению существует БЗ на внутреннем «машинном» представлении. В отличие от базы данных, где хранятся характеристики технологических элементов (оборудования, оснастки, режимов обработки и т. Д.), БЗ, кроме этого, содержит взаимосвязи характеристик этих элементов между собой и между характеристиками заготовки и детали. Эти взаимосвязи и есть технологические правила, или эвристики, разработанные экспертом. Например, после термообработки – закалки (заготовка характеризуется твердостью HRC 40) – необходимо для обработки выбрать резец с характеристикой материала режущей части «твердый сплав».
Решатель, или машина вывода, – программа, моделирующая ход рассуждений эксперта на основании знаний, имеющихся в базе знаний.
Подсистема объяснений – программа, позволяющая пользователю получить ответ на вопрос «Как было получено такое решение?» Ответ на вопрос – это описание последовательности действий для получения решения суказанием использованных фрагментов базы знаний, т.е. всех шагов цепи умозаключений.
Интеллектуальный редактор БЗ – программа, представляющая инженеру по знаниям возможность создавать базу знаний в диалоговом режиме. Включает в себя систему вложенных меню, шаблонов языка представления знаний, подсказок и других сервисных средств, облегчающих работу с базой.
Интерфейс пользователя – комплекс программ, реализующих диалог пользователя с ЭС как на стадии ввода информации, так и при получении результатов.
Этапы разработки экспертных систем
В создании ЭС участвуют инженер по знаниям, эксперт, программист и пользователь. Процесс разработки ЭС можно разделить на четыре этапа:
- Разработка прототипа ЭС.
- Развитие прототипа до промышленной ЭС.
- Оценка ЭС.
- Стыковка ЭС.
Прототипная система. Это усеченная версия ЭС, спроектированной для проверки правильности кодирования фактов, связей и стратегий рассуждения эксперта. Она также дает возможность инженеру по знаниям привлечь эксперта к активному участию в процессе разработки ЭС. Объем прототипа – несколько десятков правил, примеров. В разработке прототипа выделяются шесть разделов:
- идентификация проблемы;
- извлечение знаний;
- структурирование знаний;
- формализация знаний;
- реализация;
- тестирование.
Идентификация проблемы – создание неформальной формулировки проблемы, а также знакомство и обучение членов коллектива разработчиков. Уточняется задача, планируется ход разработки прототипа ЭС, определяются необходимые ресурсы (время, люди, ЭВМ и т. Д.), имеющиеся аналогичные ЭС, цели (распространение опыта, автоматизация рутинных действий, накопление знаний и др.), классы решаемых задач.
Извлечение знаний – получение инженером по знаниям наиболее полного представления о предметной области и способах принятия решения в ней. На этой стадии происходит перенос компетентности от эксперта к инженеру по знаниям с использованием методов: анализа литературы, диалогов, экспертных игр, лекций, интервью, наблюдения.
Структурирование, или концептуализация знаний, – разработка неформального описания знаний в виде графа, таблицы, диаграммы или текста, которое отражает основные концепции и взаимосвязи между понятиями. Выявляется структура полученных знаний, т.е. определяются: терминология, список основных понятий, отношения между понятиями, структура входной и выходной информации, стратегия принятия решений.
Формализация знаний – разработка базы знаний на языке представления знаний, который, с одной стороны, соответствует созданной структуре знаний, а с другой – позволяет реализовать прототип на следующей стадии программной реализации. При формализации строится представление концепций предметной области на основе выбранного языка. Традиционно используются: логические методы (исчисления предикатов 1-го порядка и др.); продукционные модели (с прямым и обратным выводом); семантические сети; фреймы; объектно-ориентированные языки, основанные на иерархии классов, объектов. Все чаще на этой стадии используется комбинация этих методов. Ранее мы рассмотрели продукционные модели и фреймы.
Реализация – разработка программного комплекса, демонстрирующего жизнеспособность подхода в целом. Создается прототип, включающий в себя базу знаний и остальные блоки, при помощи одного из следующих способов: программирования на традиционных языках типа Packal, C++ и др.; программирования на специализированных языках, применяемых в задачах искусственного интеллекта; использования инструментальных средств разработки ЭС и «пустых» ЭС или «оболочек» типа ЭКСПЕРТ.
Тестирование – выявление ошибок в подходе и реализации прототипа и выработка рекомендаций по доводке системы до промышленного варианта. Прототип проверяется на: удобство и адекватность интерфейсов ввода/вывода; эффективность стратегии управления (порядок перебора, использование нечеткого вывода); качество проверочных примеров; корректность базы знаний (полнота и непротиворечивость правил).
Развитие прототипа до промышленной ЭС. Основная работа на данном этапе заключается в расширении базы знаний, т.е. в добавлении большого числа дополнительных правил, фреймов или других элементов знаний. В то же время можно включить правила дополнительных подзадач.
Оценка системы. Для такой оценки используются последующие группы критериев:
- критерии пользователей (понятность и «прозрачность» работы системы, удобство интерфейсов и др.);
- критерии приглашенных экспертов (оценка советов-решений, сравнение решений с собственными, оценка подсистемы объяснений);
- критерии коллектива разработчиков (эффективность реализации, производительность, время отклика, дизайн, широта охвата предметной области, количество тупиковых ситуаций и т.п.).
Стыковка системы. На этом этапе осуществляется стыковка ЭС с другими программными средствами в среде, в которой она будет работать. Иногда это означает внесение существенных изменений. Стыковка включает обеспечение связи ЭС с существующими базами данных и другими системами на предприятии.
Проектирование ТП методом синтеза
Метод синтеза представляет собой автоматизацию проектирования на базе типовых решений отдельных технологических задач. Применяемые уровни технологической унификации–уровень обработки отдельной поверхности и сочетаний поверхностей. Проектирование–от частного к общему, восходящее. Исходная информация о детали вводится в виде ТКС (таблицы кодированных сведений) или на формализованном языке.
Метод синтеза наиболее сложный, и его необходимость диктуется наличием множества оригинальных деталей, для которых нет аналогичных и типовых ТП. Проектирование автоматизированное, диалоговое в среде рассмотренных экспертных систем. Как модели представления знаний используются фреймы и продукционные системы.
Все, что имеется к началу проектирования ТП, это – унифицированные маршруты обработки отдельных поверхностей, и именно с их определения применительно к текущей детали начинается проектирование. Это первая стадия проектирования ТП. Общее проектирование состоит из следующих стадий (включая и названную):
1) установление маршрутов обработки отдельных поверхностей;
2) формирование принципиальной схемы ТП в виде перечня выполняемых этапов обработки;
3) проектирование ТП в пределах этапа с установлением маршрута обработки;
4). Расчет технологических размеров.
5) проектирование операций.
6). проектирование переходов.
Приведем краткое описание каждой стадии, а подробно они рассматриваются в следующих лекциях.
Стадия 1. Маршрут обработки отдельной поверхности (МОП) – это последовательность методов обработки (переходов), необходимых для достижения требуемых чертежом детали характеристик поверхности. Разнообразие существующих методов приводит к тому, что одни и те же характеристики могут быть достигнуты разными МОП. После разработки возможных маршрутов производится выбор оптимального МОП по назначенным критериям. В качестве критериев оптимального МОП и при нахождении оптимального решения других технологических задач используются показатели ресурсоемкости: затраты материалов, энергии, труда.
Стадия 2. Дальнейшая задача заключается в том, чтобы из отдельных МОП построить допустимые варианты ТП обработки детали. Для решения этой задачи используется хранящийся в САПР общий план обработки деталей, разбивающий ТП на этапы обработки. План обработки содержит перечень этапов и условия выбора каждого этапа исходя из маршрута обработки поверхностей и характеристик детали в целом. План обработки строится на основе анализа изготовления деталей различных классов с учетом возможных комбинаций термической и механической обработки. По условиям анализируется необходимость каждого этапа обработки для текущей детали. Перечень полученных этапов называется принципиальной схемой ТП.
Стадия 3. – проектирование ТП в пределах каждого этапа. Исходными данными являются принципиальная схема ТП, указанные обрабатываемые поверхности и их характеристики на каждом этапе. Для окончательного определения состава и последовательности операций устанавливаются схемы базирования.
Стадия 4. Определение технологических размеров и размерный анализ–стадия проверки правильности принятых на предыдущих стадиях решений. Далее из совокупности переходов формируются операции, а из последовательности операций – маршрутная карта.
Стадия 5. При проектировании операций выбирается приспособление, СОЖ, определяется структура операций–последовательность переходов.
Стадия 6. Проектирование переходов предполагает выбор средств оснащения, назначение режимов обработки, определение нормы времени.
Результатом решения каждой задачи является множество типовых решений, которые формируют выходную документацию или составляют входные данные для последующих задач.
Вопросы к лекции 8
- Дать определение экспертной системе.
- При каких методах проектирования ТП можно использовать экспертные системы?
- Как называется раздел информатики, в котором исследуется представление знаний?
- Из каких подсистем состоит экспертная система?
- Какие способы представления знаний знаете?
- Для чего служит интеллектуальный редактор?
- Перечислите этапы разработки экспертных систем.
- Дать определение прототипной системе.
- Как выполняется извлечение знаний?
- Что значит структурировать знания?
- В каком виде представляются структурированные знания?
- Что значит формализовать знания?
- Назовите способы реализации экспертной системы.
- Для проектирования ТП каких деталей используется метод синтеза?
- В какой последовательности выполняется проектирование ТП методом синтеза?
- В каком виде вводится исходная информация о детали при проектировании синтезом?
- Какие уровни технологической унификации используется при проектировании ТП методом синтеза?
PAGE 1
Экспертные системы. Проектирование ТП методом синтеза