книги / Теория и методы решения многовариантных неформализованных задач выбора(с примерами из области сварки)
..pdfфективным инструментом проведения исследований на мо делях и поиска оптимальных решений сложных задач, в ко торых необходимо учитывать множество взаимосвязанных факторов.
В отношении моделирования и автоматизации исполь зование таблиц соответствий в качестве универсальной мо дели постановки задач выбора имеет несомненные достоин ства. Для ТС отсутствуют принципиальные ограничения по допустимым количествам рассматриваемых альтернативных решений, принимаемых во внимание факторов и их значе ний. Имеется возможность компактного представления больших объемов разнообразной информации независимо от того, в каком виде она зафиксирована в первоисточниках. В таблицах соответствий все их атрибуты кодируются, а язык таблиц максимально приближен к машинному. Это позволяет вводить модели в компьютер и автоматизировать решение задач.
Для объективной оценки уровня и возможности автома тизации решения задач сварки обзор отечественных разрабо ток был дополнен рассмотрением работ, проведенных в дру гих странах.
Начиная с 1980-х годов применение вычислительной техники во всех сферах промышленного производства стало в передовых зарубежных странах одним из главных приори тетов. Это относится и к сварочному производству, о чем свидетельствует резкий рост числа публикаций по соответст вующей тематике в реферативном журнале «Сварка» и со держание рефератов.
В рефератах иностранных статей содержится много ин тересных данных и фактов. Однако возможности воспользо ваться зарубежным опытом ограничены малым объемом ре
фератов, практической недоступностью работы с подлинни ками из-за языкового барьера, а также несовместимостью иностранных и отечественных стандартов по материалам, оборудованию, терминологии и т.д. Несмотря на перечис ленные трудности, полезным является сопоставление неко торых статистических и качественных данных о компьютер ных системах, технологиях и тематических направлениях в нашей стране и за рубежом.
Из обзора иностранной литературы видно, что максимум публикаций по обсуждаемой тематике пришелся на вторую половину 1980-х годов, затем поток публикаций стал быстро уменьшаться. Вероятно, это можно объяснить тем, что в 80-х годах, когда развитие вычислительной техники достигло оп ределенного уровня, передовые страны сосредоточили свои усилия на создании программных средств для решения ши рокого круга задач в области сварки и внедрения их в про мышленное производство. Резко возросло число публикаций о разработанных компьютерных системах и их внедрении, а число статей научного содержания сократилось.
Об интенсивности работ по проблемам автоматизации, проводимых в передовых странах, свидетельствуют данные табл. 27. Можно сделать вывод, что в промышленно разви тых странах применению вычислительной техники для ре шения производственных задач сварки уделяется больше внимания, чем в нашей стране.
Еще одной примечательной особенностью развития авто матизации за рубежом в конце прошлого века явился переход к разработке и широкому использованию экспертных систем.
Судя по литературе, первые экспертные системы по те матике сварки были разработаны в Японии и США. Их дос тоинства были оценены чрезвычайно быстро и уже со второй
половины 1980-х годов они стали преобладающим видом программных средств, разрабатываемых в передовых зару бежных странах.
Таблица 27
Удельный вес публикаций по автоматизации решения типовых задач сварки
|
Доля от общего количества |
||
Задача |
|
публикаций, % |
|
|
СССР-СНГ |
Зарубежные |
|
Выбор способа сварки |
1,6 |
|
9,5 |
Выбор последовательности |
2,4 |
|
1,4 |
и содержания операций |
|
||
|
|
12,8 |
|
Выбор сварочных материалов |
1,0 |
|
|
Выбор оборудования |
1,2 |
|
2,4 |
Выбор основного металла |
2,2 |
|
4,3 |
Выбор типа сварного соеди |
1,4 |
|
9,5 |
нения |
|
||
|
|
15,2 |
|
Назначение режима сварки |
12,3 |
|
Статистика показывает, что число работ, посвященных экспертным системам, и после 1980-х годов продолжает ин тенсивно увеличиваться.
Появление информации о новых возможностях, которые открывает применение экспертных систем для автоматизации
решения сложных неформализованных задач, стимулировало интерес отечественных исследователей к овладению метода ми искусственного интеллекта.
Начальные сведения об идеях, методах создания и при менении экспертных систем специалисты прикладных облас тей смогли получить во второй половине 1980-х - начале
1990-х годов по значительному числу переведенных на рус ский язык монографий зарубежных авторов [47, 58, 72 и др.]
и нескольким отечественным изданиям [32,49, 69,91].
В сварочном производстве к первым публикациям по тематике экспертных систем можно отнести работы [84, 86] и некоторые другие.
В.А. Судник и В.А. Ерофеев разработали программные пакеты «Прогнозирование качества» при сварке плавлением и контактной сварке для выполнения вычислительных экспери ментов и математического моделирования соответствующих процессов [86]. Такие сложные компьютерные системы они рассматривают как «экспертные системы высокого уровня».
А.И. Стрельцов и А.А. Толкачев проиллюстрировали тех нологию построения экспертной программы на примере задачи выбора марки электрода для ручной дуговой сварки [84]. К со жалению, в дальнейшем они не использовали возможности но вого подхода к решению широкого круга задач сварки.
В Пермском НПО «Парма» под руководством Б.И. Ярушкина была разработана оболочка ЭС «САПР-Эксперт» уни версального назначения, на основе которой совместно
с Пермским политехническим институтом создан исследова тельский прототип системы выбора варианта сварки в за щитных газах [102].
В МГТУ им. Н.Э. Баумана создана ЭС типа «нейросеть» для моделирования процесса импульсно-дуговой сварки неплавящимся электродом в аргоне (Э.А. Гладков, А.В. Мало летков и др. [16]). Показано, что точность расчетов по по строенной системе превосходит точность аналогичной рег рессионной модели. Также уменьшаются затраты на прове дение экспериментов и время на обработку эксперименталь ных данных.
Ряд авторов указывает, что экспертные системы могут создаваться как для работы в автономном режиме в качест ве консультантов по решению отдельных профессиональных
задач, так и в качестве подсистем САПР для синтеза некото рых проектных решений. В этом контексте можно говорить об интеллектуализации традиционных САПР как одном из направлений совершенствования автоматизированных сис тем. Применительно к задачам сварочного производства та кой подход подробно проанализирован А.С. Бабкиным [4].
Несмотря на перечисленные и другие имеющиеся разра ботки и публикации по тематике экспертных систем, мас штабы применения новых компьютерных методов решения задач сварки отстают от уровня индустриально развитых стран. Косвенным, но наглядным подтверждением этого мо жет служить такой факт: по проведенным подсчетам процент публикаций, в тематике которых присутствуют сведения об экспертных системах, за последние 15 лет составил: в рус скоязычной литературе 12,8 %, в иностранной - 50,9 %.
В России пока не создано коммерческих систем для ши рокого круга пользователей. Есть несколько промышленных образцов ЭС (разработки Тульского и Волгоградского ГТУ), но они пока по-настоящему не востребованы промыш ленностью. На уровне исследовательских прототипов нахо дятся ЭС преимущественно учебного назначения, разрабо танные в некоторых других вузах. Сведения о них крайне ограничены.
В странах СНГ наибольших успехов в создании эксперт ных систем для сварщиков добились сотрудники ИЭС им. О.Е. Патона. Первой работой стал аналитический образ за рубежных систем для сварщиков, подготовленный группой со трудников под руководством академика В.И. Махненко [101].
В дальнейшем Г.Ю. Сапрыкиной была разработана ЭС по сварке сталей под флюсом [78]. Используя информацию, введенную в базы данных и знаний, система предоставляет
возможность в диалоговом режиме разрабатывать техноло гию сварки для заданных исходных данных.
Группа сотрудников - П.В. Гладкий, В.Ф. Демченко
И.А. Рябцев, С.С. Козлитина и др. - на протяжении ряда лет занималась разработкой, а затем совершенствованием экс пертных систем по технологии электродуговой наплавки [100, 25]. При этом центральной задачей являлся выбор на плавочных материалов.
В обзоре информационных компьютерных систем, раз работанных в ИЭС им. Е.О. Патона [26], упоминается также экспертная система проектирования технологий сварки лег ких сплавов. Как и для других ЭС, дается краткая характери стика структуры системы, содержания баз данных и работы пользователя. К сожалению, не поясняется, чем принципи ально отличаются такие ЭС от ранее создававшихся инфор мационных систем, как решается проблема неоднозначности рекомендаций, генерируемых системой.
Ученые Белоруссии были в числе первых отечественных исследователей, начавших системно заниматься вопросами применения вычислительной техники для решения задач сварки. С конца 1960-х годов до начала 2000-х центром про ведения таких работ являлся Институт технической киберне тики (ИТК) АН Белоруссии. Здесь были разработаны основы
автоматизации технологической подготовки производства сварных конструкций [8, 57], созданы первые САПР ТПС универсального назначения [31], основанные на челове комашинном диалоговом решении конструкторско-техноло гических задач. Среди последних преобладают задачи выбо ра: выбор последовательности и содержания операций и пе реходов, выбор способа сварки, сварочных материалов, сва рочного и механического оборудования и т.п.
Первоначально белорусские исследователи ориентиро вались на разработанную Г.К. Горанским и его сотрудниками методику моделирования задач выбора с помощью таблиц соответствий и граф-схем алгоритмов выбора решений [3, 20]. В этой связи следует отметить большое методологиче ское значение статьи Н.Ю. Мухамедова и др. [57], авто ры которой на примере задачи выбора способа сварки пока зали различные аспекты моделирования сложных многоаль тернативных многофакторных задач. В дальнейшем реше ние этой задачи анализировали и другие исследователи [35, 42, 65, 102].
Опыт автоматизации решения неформализованных задач
сварочного |
производства обобщен |
в монографии А.И. Стре |
||
льцова [83]. В ней |
рассмотрены |
основные |
вопросы теории |
|
и практики |
создания |
САПР технологических |
процессов сбо |
рочно-сварочного производства: формализация исходной ин формации, методика и алгоритмы проектирования технологи ческих процессов, моделирование принятия проектных реше ний. В последней главе книги приведено описание САПР ТПС, разработанной автором совместно с Г.А. Ивановым.
Для задач расчетного типа, к которым отнесены расчеты параметров режимов сварки, технических норм времени на сбо рочно-сварочные и сопутствующие операции и норм расхода сварочных материалов, приведены соответствующие расчетные формулы с необходимыми пояснениями. В основу подхода к решению остальных задач (неформализованных, преимущест венно задач выбора) положен теоретико-множественный ана лиз. Большинство рассматриваемых параметров исследователи представляют в виде множеств и анализируют соответствия между множествами элементов входных и выходных парамет ров. В результате синтезируют алгоритмы решения задач.
С точки зрения методики решения задач наиболее инте ресными в работе [83] являются предложения автора по при менению в САПР элементов искусственного интеллекта и экс пертных систем. Этот вопрос проиллюстрирован для задач определения последовательности сборки сварных конструк ций, выбора способа сварки, типа стыкового шва и марки электрода для ручной сварки, а в целом - на примере автома тизации решения задач технологии сварки двухслойных ста лей.
Продолжение всего комплекса работ по автоматизации технологической подготовки сборочно-сварочного производ ства в настоящее время проводится в Научно-исследовате льском и конструкторско-технологическом институте сварки и защитных покрытий (НИКТИС), являющемся головной ор ганизацией Республики Беларусь в области сварки. Здесь группа сотрудников во главе с Г.А. Ивановым активно зани мается дальнейшим совершенствованием и производствен ным внедрением САПР ТПС, разработанной в Институте тех нической кибернетики (ИТК). В отличие от большинства отечественных САПР аналогичного назначения, в данной системе для решения проектных задач используются элемен ты искусственного интеллекта. Соответственно вместо базы данных функционирует база данных и знаний.
Вряде публикаций Г.А. Иванова и В.Н. Прончевой по казан современный уровень автоматизации решения типовых задач технологической подготовки производства сварных конструкций [29, 30 и др.].
Вобзоре литературы по автоматизации нельзя не упо мянуть о работах С.В. Медведева (ИТК НАН Беларуси), ко торый на протяжении длительного времени целенаправленно занимается вопросами компьютерного проектирования сбо
рочно-сварочной оснастки. Такое проектирование требует решения комплекса разнообразных задач методологического, конструкторского, системотехнического и иного характера с целевой ориентацией на объект проектирования, то есть сборочно-сварочной оснастки. В своей монографии [53] С.В. Медведев развивает выдвинутый Н.О. Окербломом принцип конструктивно-технологического проектирования сварных конструкций [63], считая возможным и целесооб разным параллельное выполнение этапов конструирования
сварных узлов, разработки технологии их изготовления и проектирования соответствующей сборочно-сварочной ос настки. Применительно к решению отдельных задач это оз начает, что проектировщики сварных конструкций и оснаст ки должны в максимальной степени учитывать требования технологичности и экономичности конструкций, возможно сти применения прогрессивных технологических приемов и операций, учитывать существование напряжений и дефор маций от сварки. В свою очередь, технологи должны инфор мировать конструкторов о влиянии конструкторских реше ний на технологию изготовления конструкций, о технологи ческих возможностях производства и тем самым способство вать повышению технологичности конструкций.
Главным достижением автора книги [53] можно считать разработку концепции построения компьютерных систем конструктивно-технологической подготовки сборочно-сва рочных производств, разработку и промышленное внедрение специальных методов автоматизированного конструирования систем технологического оснащения.
Несмотря на отмеченное выше снижение интенсивности выполнения работ по созданию и внедрению новых автома тизированных систем, прогресс в работах по автоматизации
решения различных задач не прекращался. Как видно из пуб ликаций, исследователи берутся за решение все более слож ных задач, все шире используют математическое моделиро вание изучаемых объектов и процессов и современные ком пьютерные технологии решения задач. В таком аспекте мож но говорить о стирании принципиальных различий между понятиями «задача» и «проблема».
Это можно показать на примере применяемой сварщи ками оценки свариваемости металлов - характеристики, зна ние которой необходимо для правильного выбора материала сварной конструкции и параметров технологии сварки.
На протяжении длительного времени уровень сваривае мости конструкционного материала оценивался качествен ными характеристиками - хорошая, удовлетворительная, ограниченная и плохая свариваемость - или с помощью на турных испытаний образцов. Для углеродистых и низко легированных сталей применяется также расчет величины эквивалента углерода, характеризующего склонность стали к закалке и образованию холодных трещин при сварке (опре деляется по химсоставу металла).
Практика показала, что применительно к ответственным сварным конструкциям такая оценка является недостаточной. В современном понимании свариваемость следует рассматри вать как сложную комплексную характеристику, зависящую не только от самого свариваемого материала, но и от применяемой технологии сварки, конструктивного оформления сварного со единения и требований к конструкции при ее эксплуатации. О сложности точной оценки свариваемости говорит тот факт, что этому вопросу посвящено несколько монографий отечест венных и зарубежных исследователей [52 и др. ].