Разработка и применение специализированных экспертных систем для САПР технологических процессов механической обработки заготовок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат технических наук Сисюков, Артем Николаевич

• Сисюков, Артем Николаевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сисюков, Артем Николаевич

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТП И МЕТОДОВ ЭС.

1.1 методы автоматизированного проектирования технологических процессов механической обработки.

1.2 Анализ методов систем основанных па знаниях-экспертпых систем.

1.2.1 Модели представления знаний.

1.2.2 Выводы, основанные на знаниях.

1.2.3 Работа с нечеткостью.

1.2.4 Архитектура и особенности экспертных систем.

1.2.5 Классификация экспертных систем.

1.2.6 Разработка экспертных систем.

1.2.7 Человеческий фактор при разработке ЭС.

1.3 Анализ принципов построения интегрированных САПР TII.

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ БАЗ ЗНАНИЙ И МОДУЛЕЙ ЭС САПР ТП.

2.1 модули (информационноеобеспечение)эс наэтапепроектирования.

2.1.1 Организация баз знаний ЭС.

2.1.1.1 Базовые понятия ВСПТД: Факты, цели, триплеты.

2.1.1.2 Переходы как фреймы.

2.1.1.3 Представление знаний в виде формул.

2.1.1.4 Базы знаний: таблицы.

2.1.1.5 Фреймы-запросы.

2.1.1.6 Предметные рубрики, как методы представления знаний.

2.1.2 Организация баз данных ЭС.

2.1.2.1 Извлечение знаний из сетевой среды.

2.1.2.2 Полнотекстовые БД.

2.2 модули (информационное обеспечение) эс па этапе эксплуатации.

2.2.1 Организация отчетов в ЭС.

2.2.2 Организация ДМВ в ЭС.

ГЛАВА 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭС САПР ТП С СИСТЕМОЙ CAD.

3.1. Аспекты интеграции ЭС САПР ТГТ в среду CAD и PDM.

3.2. Выбор среды 3D моделирования.

3.3. Создание модуля ЭС по взаимодействию с CAD (Cimatron Е) посредством'API.

3.4. передача геометрической информации о детали в ЭС.

3.5. Передача параметрической информации о детали в CAD.

3.6. Программный интерфейс приложения Cimatron Е (API).

3.6.1. Запуск модуля на Visual Basic.

3.6.2. Запуск модуля на Visual С++.

3.6.3. Запуск модуля на Borland Builder С++.

3.6.4. Скрипты.

ГЛАВА 4 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ САПР ТП НА ОСНОВЕ ЭС С СИСТЕМОЙ РИМ.

4.1 Выбор PLM системы для интеграции.

4.2 Целесообразность интеграции.

4.3 интеграция приложений предприятия.

Интеграция посредством SmartGateway.Ill

Сетевая архитектура взаимодействия 1-Platform.

Прямой подход - применение API SMARTEAM (COM\DCO\MctiveX).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и применение специализированных экспертных систем для САПР технологических процессов механической обработки заготовок»

Для обеспечения эффективности производства предприятия и удовлетворения спроса «заказчика» необходимо в короткие сроки осуществить технологическую подготовку производства, освоить новую и модернизируемую технику и встроить осваиваемые изделия в постоянно меняющийся технологический процесс. Почти все виды производственных разработок связаны с компьютерной обработкой информации с тем, чтобы автоматизировать ряд работ, освобождая человека и ускоряя производственный процесс. Использование вычислительных машин обусловливает разработку и широкое внедрение новых методов автоматизированной подготовки технологических процессов, что является важным резервом снижения себестоимости изготовления деталей, повышения качества технологии, сокращения сроков технологической подготовки производства.

Современный подход к созданию САПР технологических процессов (САПР ТП) предполагает использование новых информационных технологий, которые основываются па методах теории искусственного интеллекта (ИИ). Одним из важнейших направлений при разработке ИИ являются экспертные системы (ЭС). Современные информационные технологии должны быть частью таких систем.

Технологические данные в ЭС, как программной системе, можно классифицировать по двум типам: статические и динамические. Статические данные, как правило, описывают конкретные объекты. Динамические данные представляются в процедурном виде. В ходе работы системы прослеживается связь между статическими и динамическими данными, или, в терминологии ЭС, между данными и знаниями. Каждый программный модуль системы должен иметь равные возможности получения, как данных из базы данных (БД), так и знаний из базы знаний (БЗ). Равные возможности при работе с БД и с БЗ из прикладных программ обеспечивают принцип эволюционного развития САПР ТП с применением ЭС. В современных условиях особенно актуальны методы построения специализированной экспертной системы и ее применения в рамках интеграции с приложениями АСТПП, как необходимого источника данных и знаний в масштабах предприятия.

Проектирование технологических процессов с использованием экспертной системы САПР ТП без интеграции с АСТПП происходит в большей степени в диалоговом режиме. Исходные данные о заготовке, необходимые ЭС в проектировании ТП вводятся технологом вручную, вынуждая его задействовать не малую часть времени не на проектирование технологического процесса экспертными средствами САПР Т11, а па под! отовку к этому проектированию. В современных условиях возможно сокращение времени нодго тонки исходных данных путем их получения из графических моделей и технологических баз программных комплексов АСТПП.

В первой главе предлагается обзор существующих сегодня методов проектирования технологических процессов в САПР ТП. Обозначаются проблемы, требующие решения. Рассматриваются методы систем, основанных на знаниях и экспертных систем. Принципы построения интегрированных САПР ТГ1.

Работа затрагивает исследования в области разработки и применения модулей экспертной системы для САПР TII, как части этой САПР, помогающий пользователю в процессе проектирования принимать решения. Акцепт делается на методы, основанные на знаниях, т.е. «сильные методы»[53] в терминологии ИИ. Сильной стороной экспертной системы считается не столько методы вывода знаний и механизм объяснений принятия решений, сколько методы накопления и отбора этих зпаний[53].

Знания можно добывать от эксперта или экспертной среды (знания 1-го рода или прямые), брать с носителей информации в электронной и бумажной формах (знания 2-го рода или опосредованные). Так определяются виды знаний, обозначенные учеными в области экспертных систем достаточно давно, один из них Поспелов Д.А. [79].

На сегодняшний день обозначается еще один источник получения знаний экспертной системой. Это знания, извлекаемые из внешней среды, и связанные, прежде всего, с понятиями информационного поиска (ИП). Поиска в сетевых средах — глобальных сетях, не только Internet, но и Intranet\Extranet, масштабы которых с каждым днем растут. Такие знания по содержанию эквивалентны знаниям второго рода, но требуют особого подхода к их извлечению с применением аппаратных и программных средств. Исследуются методы приобретения таких знаний.

Во второй главе предложены методики построения и пополнения баз знаний в специализированной гибридной экспертной системе. Показаны подходы к построению и применению адаптера ДШП с использованием протокола Z39.50 и коммуникативного формата MARC с последующим индексированием и редуцированием области поиска в ГГГБД. Представлен механизм ДМВ в составе графического интерфейса пользователя (ГИП).

Предложены модели представления знаний в БЗ. Модель представления, основанная на фреймах и модель представления знаний в виде правил вывода или продукций. Определен метод организации фреймового и продукционного представления знаний - виртуальное строковое пространство технологических данных (ВСПТД), дана характеристика ВСПТД и применение в рамках ЭС. [87, 112].

В третьей главе предложена методика интеграции системы САПР ТП, построенной на ЭС с CAD-системой. Проблема представления геометрических элементов CAD-модели в их технологический эквивалент на сегодня достаточно актуальна [146]. Также предлагаются методы отображения технологического описания детали в CAD-модель. Все методы имеют программную реализацию, т.е. числовые методы, и используют программный аппарат самой CAD-системы. Интеграция с CAD позволяет получать на вход ЭС, помогающей САПР ТП решать задачу проектирования технологического процесса, параметры этого ТП, не вводя их вручную.

В четвертой главе проведен анализ методов интеграции с PDM-системой и предложен метод взаимодействия со специализированной гибридной ЭС

Развертывание ЭС в локальной сети предприятия открывает новые возможности интеграции. Крупным источником информации, технологическим банком данных масштаба предприятия, служит PDM-система. Интеграция ЭС САПР TII позволит извлекать новые данные, обновлять их в общем хранилище PDM. В главе рассмотрены практически все варианты взаимодействия с системой и предложен подход к интеграции ЭС в PDM. Опять же рассматриваются достаточно подробно программный аппарат интеграции.

Экспертам система без интеграции в PLM-сисгему (PDM) и СЛО-сисюму иред-скиияег собой мехашпм с закрьпым аппаратом накопления знаний и помогающим проектирован. ТП, но не вписывающимся в современные условия iinreiрациим. Как следствие, потеря актуальности локальных банков данных и баз знаний самой ЭС в рамках предприятия и снижение или потеря эффективности принимаемых решений. Каждая система выполняет свою роль, ERP - управление ресурсами предприятия, SCM - управление цепочками поставок, СРС - корпоративное управление торговлей, PDM - общий банк данных, управление жизненным циклом (ЖЦ) изделия, CAD - графическое сопровождение, ЭС САПР ТП — помощь в проектировании ТП на базе актуальной информации из систем, способных ее предоставить.

Целью диссертационной работы является разработка методов информационного оснащения специализированной гибридной ЭС для систем автоматизированного проектирования технологических процессов, которые должны обеспечить технологическую базу знаний и интеграцию ЭС с программными комплексами АСТГ1П.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

• Анализ и разработка модели и метода представления знаний в специализированной ЭС;

• Разработка методов пополнения знаний в специализированной ЭС;

• Разработка методов извлечения знаний из специализированной ЭС;

• Исследование и разработка методов обеспечения единого информационного пространства в СГЭС;

• Разработка методов получения параметрической информации о заготовке для механической обработки из ее геометрическог о представления;

• Разрабопа методов получения геометрического преставления загоювкн для механической oopaooiKu из ее параметрического описания.

Предметом исследования являются меюды применения ЭС в САПР TII, инструментальные средства, включающие в себя средства ишеграции с ЛСТПП, лингвистическое и информационное обеспечение экспертной системы в области проектирования технологических процессов.

Методы исследовании. При решении поставленных задач использовались основы теории информационных систем, теории ИИ, методы виртуального строкового пространства технологических данных, методы фреймового и продукционного подходов к представлению баз знаний. При реализации использовались методы объектно-ориентированного анализа и проектирования. Использован объектно-ориентированный подход в реализации программных модулей экспертной системы, применены технологии по взаимодействию приложений (COM, DCOM), технологии проектирования программ на шаблонных классах (STL, ATL).

Научная новизна работы заключается в следующем:

• усовершенствован подход к представлению знаний в виртуальном строковом пространстве технологических данных;

• спроектирован и наполнен рубрикатор специализированных предметных терминов для отбора документов в полнотекстовые базы данных, применяемых при проектировании и функционировании специализированной ЭС САПР TII механической обработки заготовок;

• разработана методика интеграции специализированной гибридной ЭС с системами ACTIIII;

• показана возможность получения параметрической информации о заготовке в специализированной ЭС из геометрического представления заготовки;

• предложен метод получения геометрической информации о заготовке из параметрического представления заготовки в специализированной гибридной ЭС;

• разработан алгоритм и программный модуль взаимодействия специализированной гибридной ЭС с CAD системой;

• предложен метод интеграции специализированной гибридной ЭС с PDM системой;

• разработан алгоритм и программный модуль взаимодействия с PDM системой.

Практическая значимость и реализация результатов. Результаты работы использованы для создания программных модулей специализированной гибридной экспертной системы для САПР технологических процессов. Данные программы используются в учебном процессе на кафедре ТПС при СПбГУ ИТМО. Материалы диссертационной работы были использованы при подготовке дипломированных специалистов по специальности 2203 (системы автоматизированного проектирования) на кафедре технологии приборостроения СПбГУ ИТМО. Ряд предложенных методов применен в автоматизированной библиографической информационной системе «Колибри+».

Апробация работы. Основные результаты работы представлены в докладах на 10 и 11 международных конференциях в Крыму «Библиотеки и информационные ресурсы в современном мире науки, культуры, образования и бизнеса» (5-13 июня 2003, 7-15 июня 2004 г.), седьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (24-28 октября 2005 г.), на III конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО (2005 г.), XXXV и XXXVI научно-методических конференциях СПбГУ ИТМО (2006, 2007 г.).

Заключение диссертации по теме «Технология приборостроения», Сисюков, Артем Николаевич

Выводы

Исследованы методы интеграции с PDM-системой. Развертывание ЭС в локальной сети предприятия открывает новые возможности интеграции. Крупным источником информации, технологическим банком данных масштаба предприятия, служит PDM-система. Интеграция ЭС САПР ТП позволит извлекать новые данные, обновлять их в общем хранилище PDM.

Предложен подход к интеграции ЭС в PDM. Рассмотрен достаточно подробно программный аппарат интеграции.

Выбор пути взаимодействия модуля сопряжения ЭС с PDM системой оказался не таким однозначным как в случае интеграции с CAD Cimatron. Прежде всего это связано значительной вариацией предлагаемых технологий и протоколов коммуникаций со стороны PDM в рамках интеграции.

Каждый из рассмотренных подходов имеет сильные и слабые стороны. Нельзя сразу выявить метод, подходящий при построение экспериментального модуля сопряжения ЭС.

Подход, основанный па протоколе SOAP оказался очень интересным в плане простоты и кросплатформенности самого клиента. Клиент может быть Web-ориентированным и GUI приложением, может быть реализован на любом языке с поддержкой ТСРМР сокетов. Но в нем заложены некоторые ограничения при использовании функционала, в том числе невозможность написания внедряемых модулей (плагинов).

Подход, ориентированный на СОММЭСОМ позволяет получить полный набор интерфейсов но взаимодействию с PDM, но ограничен в плане кросплатформенности.

С учетом следующей специфики экспериментальной ЭС САПР TII:

• Устанавливается на рабочих станциях, а не серверах;

• Ориентировано па семейство ОС Windows;

• Должна обладать дружественным GUI интерфейсом пользователя.

• Возможность внедрения дополнительного функционала в редактор Smarteam (Plugin).

Предпочтение отдано методу на базе API СОМ, как и в случае интеграции с CAD.

Исследованы и реализованы методы информационного обеспечения ЭС гибридного типа в контексте интеграции с CAD и PDM системами. Экспертная система без интеграции в PLM-систему (PDM) и CAD-систему представляет собой механизм с собственным аппаратом, основанном па знаниях и помогающем проектировать ТП, но не вписывающемся в современные условия интеграции систем. Как следствие потеря актуальности локальных банков данных и баз знаний самой ЭС в рамках предприятия и снижение или потеря эффективности принимаемых решений.

Предложен подход к интеграции ЭС в PDM. Рассмотрен достаточно подробно программный аппарат интеграции.

Рассмотрены методы интеграции ЭС САПР ТП с CAD\CAM и PLM системами, исследованы и использованы следующие технологии

1) Адаптация на уровне XML модулей к PDM-системе в распределенной среде

2) Использование COM\COM+\DCOM технологий как средство взаимодействия с CADYPDM, в том числе интерактивное.

3) Использование технологий Java как средство взаимодействия с PDM.

Заключение

В процессе выполнения диссертационной работы 6елли получены следующие основные результаты:

• Исследованы модели представления знаний и разработаны методы построения баз знаний в экспертной системе САПР ТП.

• Исследован и улучшен подход к организации баз знаний ЭС с применением виртуального строкового пространства технологических данных (ВСПТД). Реализованы методы накопления знаний:

- извлечение знаний от эксперта-технолога с применением диалогового интервью;

- с применением внешних коммуникаций в глобальной сети по протоколу Z39.50, TCPUP, HTTP;

- разработаны методы поиска, индексирования полпотекстовых источников информации в предметной области технологии приборостроения с применением рубрикатора специализированных предметных терминов;

- разработаны принципы и программный модуль дедуктивной машины вывода в контексте проектирования технологических процессов;

- спроектированы редактор и БЗ с применением продукционного подхода к базам знаний;

- создан прототип БЗ с применением продукций для назначения инструмента;

- спроектированы редактор и БЗ с применением фреймового подхода к базам знаний переходов и операций ТП;

- накоплена БЗ в виде фреймов-переходов и фреймов-операций;

- исследованы методы сопряжения ЭС с различными системами управления базами данных.

Исследованы и предложены методы извлечения параметрических данных непосредственно из CAD-модели детали группы механической обработки. Спроектирован алгоритм построения геометрико-нараметрического преобразователя (ГПП) данных.

• Исследованы и предложены методы преобразования параметрических данных с выхода ЭС в геометрическое представление детали в виде CAD-модели. Реализован модуль ГЭС — параметрико-геометрический преобразователь (ПГГ1) данных.

• Реализованы ПГП и ГПП в системе CAD\CAM Cimatron Е.

• Исследованы методы интеграции ЭС для САПР ТП в единое информационное пространство.

• Предложены методы интеграции ЭС и PDM с применением различных подходов, таких как Smartgateway, SOAP (XML, iXF, Java), COM API.

• Реализован модуль интеграции в PDM Smarteam.

Разработанные адаптеры сопряжения ЭС с приложениями АСТПП, средства взаимодействия с серверами Internet по протоколу Z39.50, тестирование специализированных предметных рубрик при проектирование полнотекстовых баз данных в составе ГЭС показали, что цель диссертационной работы достигнута.

Перспектива в развитии метода сопряжения CAD с САПР ТП не только для тел вращения, но и для других геометрических элементов. А также развитие метода в рамках распознавания сборочных единиц в сборочных CAD-моделях.

Возможно пополнение баз знаний фреймов переходов и продукционных баз знаний. В перспективе возможен перевод методов и функций ВСПТД под Web.

Новизна работы в методиках разработки, применения специализированной экспертной системы, где знания и данные для задач проектирования технологических процессов, приобретаются в первую очередь из среды предприятия — вопросы интеграции. И в глобальной сети приобретаются знания, недоступные в пределах предприятия и рамках проектирования технологического процесса с применением ЭС (модуль ДШП). Предложен новый подход создания ГЭС САПР ТП механической обработки деталей путем интеграции в единое информационное пространство ТПП через взаимодействие с PDM-системой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сисюков, Артем Николаевич, 2007 год

1. Н., Батыршии И. 3., Блишун А. Ф., Силов В. Б., Тарасов В. Б. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта. // Под ред. Д. А. Поспелова. — М.: Наука, 1986.

2. Аверченков В.И., Каштальян И.А., Пархутин А.П. САПР технологических процессов, приспособлений и режущих инструментов. Мп.: Высшая школа, 1993.

3. Автоматизированная система проектирования технологических процессов механосборочного производства./ Под ред. Н.М.Капустина М.: Машиностроение.1979. 247с.ил.

4. Адаменко А. П., Кучуков А. М. Логическое программирование и Visual Prolog. -СПб: БХВ-Петербург, 2003.

5. Алахвердов В. М. Когнитивные стили в контурах процесса познания. Когнитивные стили. // Под ред. В. Колги. — Таллинн, 1986. — С. 12—23.

6. Американский коммуникативный формаг представления библиографических записей. СПб: Изд-во РНБ, 1990г., 673с.

7. Андриеико Г. Л., Аидриенко Н. В. Игровые процедуры сопоставления в инженерии знаний.// Сборник трудов 111 конференции по. искусственному интеллекту. — Тверь, 1992, —С. 93—96.

8. Арчер Т., Уайтчепел Э. Visual С++ .NET Библия программиста. — Киев: Диалектика, 2005 г.

9. Архангельский А.Я. Borland Developer Studio. Delphi 2006. Справочное пособие. -М: Бином, 2006 г.

10. Аткипсон Р. Человеческая память и процесс обучения. // Пер. с англ. -М.: Прогресс,1980.

11. Байдуп В. В., Бунин А. И. Средства представления и обработки знаний в системе FRL/PS. // Всесоюзная конференция но искусственному интеллекту: тез. докл., т. 1.1. Минск, 1990. — С. 66—71.

12. Белнап 11., Стил Т. Логика вопросов и ответов. — М: -Прогресс, 1981.

13. Боггс У., Боггс М. UML и Rational Rose. — М.: ЛОРИ, 2001.

14. Борисова Н. В., Соловьева А. А. и др. Деловая игра "Методика конструирования деловой игры". —М.: ИПКИР, 1988.

15. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование. — М.: ИВК, 1993.

16. Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон А. Язык UML. Руководство пользователя. М.: ДМК, 1993.

17. Вертгеймер М. Продуктивное мышление. // Пер с нем. — М.: Прогресс, 1982.

18. Випер Н. Кибернетика или управление и связь в животном и машине. — М.: Советское радио, 1958.

19. Воинов А., Гаврилова Т. Инженерия знаний и психосемантика: Об одном подходе к выявлению глубинных знаний. // Известия РАН. Техн. кибернетика. — 1994, № 5.1. С. 5—13.

20. Волков А. М., Ломнев В. С. Классификация способов извлечения опыта экспертов. // Известия АН СССР. Техн. кибернетика. — 1989, № 5. -С. 34-45.

21. Гаврилова Т. А. Представление знаний в экспертной диагностической системе ABTAIГГЕСТ. // Изв. АН СССР. Техп. кибернетика. 1984,№5.-С. 165-173.

22. Гаврилова Т. А. Как стать инженером по знаниям. // Доклад на Всесоюзной конференции по искусственному интеллекту. — М.: ВИНИТИ, 1988. — С. 332—338.23