Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основных направлений научно-:хнического процесса на современном этапе развития общества является эвышение результативности технологических процессов (ТП), лежащих в :нове любого материального производства. Нарастающее количественное и ічественное усложнение ТП в условиях конкурентной среды стимулирует ізвитие парадигмы "качество" как постепенный сдвиг в сторону все более [ирокого спектра его показателей, объединяемых понятиями эезультативность" или "эффективность". При этом результативность осматривается как комплексная, системная характеристика, выражающая ютветствие организационно-хозяйственной системы (и, в частности, ТП) ее элям, интегральное качество ее функционирования, ее успешность.
Еще одним аспектом развития парадигмы "качество" становится греход от узко контрольных функций к системам всеобщего управления ічеством, когда продукция и соответствующий ТП разрабатываются и эганизуются таким образом, чтобы обеспечить качество, "встроенное" в зделие, вместо того, чтобы проверять качество продукции после ее зготовления. Другими словами, качество понимается не только и не только как соответствие продукции требованиям технического задания, колько как ее соответствие назначению (ожиданиям потребителей), а эбственно инженерная деятельность (разработка ТП, измерения, анализ аботы) уступает место системному инжинирингу, цель которого - перевод отребностей заказчиков в свойства продукции и параметры ТП.
В систему индикаторов и характеристик, отражающих результативность П, в общем случае входит целый ряд показателей - действенность, кономичность, качество, прибыльность, производительность, качество рудовой жизни, внедрение новшеств и т.д. Данная работа ограничена гхногенными аспектами этой проблемы, которые в наибольшей степени лизки к комплексу понятий, объединяемых термином "техническое иагностирование". Однако идеология технического диагностирования, юрмировавшаяся, в первую очередь, в связи с потребностями машино- и риборостроения, предполагает наличие формализованных и іфиксированньїх в документации технических требований к продукции. В э же время в условиях современного рынка не менее важное значение ачинают приобретать отрасли промышленности (и соответствующие ТП), це качество продукции определяется не только в формально-оличественных, но и в когнитивно-эстетических категориях - легкая, ищевая, полиграфическая и т.п. Поэтому более адекватным целям астоящей работы видится термин "мониторинг", подразумевающий гслеживание динамики состояния ТП как системы в любых доступных (а е только в количественных) измерительных шкалах.
Все изложенное определяет актуальность темы научной работы, вязанной с исследованием общесистемных и прикладных принципов
мониторинга ТП со слабо формализуемыми критериями и созданием на зтоі основе комплексной методологии проектирования систем такого мониторинга
Возрастающая сложность современных ТП заставляет использовать і качестве методологической основы организации их мониторинга системны! анализ. Изучение системных аспектов организации контроля в известны: ТП позволило констатировать, что максимальная доля исследований связанных с организацией контроля в ТП, с точки зрения их классификациі сосредоточена в области малых систем, которые рассматриваются как сугубі рефлексные, с формализованной критериальной функцией и прямыа управлением. Участие человека в таких системах сводят к минимуму ограничивая его ролью оператора или заменяя роботами, а критериальнук функцию на всех структурных уровнях стремятся формализовать.
Значительные усилия прилагаются также к решению проблем контролі ТП, позиционируемых в классе больших систем. В этих случаях, как правиле система строится в сопряжении с человеком, который на всех уровня: структурной организации выступает в роли лица, принимающего решение (ЛПР), и, соответственно, является носителем интегрального критерия.
В то же время практически не находит отражения организация мониторинг; тех ТП, для которых характерны слабо формализуемые критерии, которые, одной стороны,' допускают определенную формализацию, а с другой стороны хотя бы на некоторых уровнях структурной организации задаются в шкала: слабее абсолютной или в категориях нечетких множеств. Тем не менее, така; ситуация объективно присуща реальным и, в частности, техническиї иерархическим структурам, где на нижних уровнях цели могут выражаться : виде конкретных критериев, а по мере повышения уровня иерархии - либо : общих требованиях (например, "повысить эффективность"), либо вообще н формулироваться.
Указанные обстоятельства определили выбор в качестве області научных исследований вопросы организации в классе малых систе: мониторинга ТП со слабо формализуемыми критериями.
Необходимым условием получения законченного результата в системно?
анализе является учет специфики, то есть конкретизация, концептуальної
среды (предметной области) исследования. В качестве базовой концептуально;
среды в настоящей работе рассматривается один из ведущих ТП легкої
V, щюмышленности_г__ТП трикотажного производства (ТПТП). ,
ТПТП, как, впрочем, и большинство производств леткої промышленности в целом, имеет свои особенности, усложняющи организацию его мониторинга. Если в традиционных системах техническо: диагностики в роли критерия качества выступают величины, поддающиес. измерению в количественной или хотя бы ординальной шкале (вероятност правильных решений, среднее время решения, сводный показатель качестЕ и т.д.), то качество конечной продукции ТПТП задается одновременно технических и когнитивно-эстетических категориях., что усложняет процес целеобразования и обоснования целей. Кроме того, задача обнаружени. дефектов трикотажного полотна даже в постановочном плане отличаете. 4
от классических задач поиска объекта на фоне: трикотажное полотно представляет собою объект с нежестко упорядоченной (квазирегулярной) структурой, для которого характерны морфологическое сходство дефекта и структурообразующего элемента, а также пространственно-временная поливариантность параметров объекта и дефекта. Видимо, с этими обстоятельствами во многом связано сегодняшнее состояние организации контроля в ТПТП: эти задачи, как правило, позиционируются в классе больших систем и решаются либо путем привлечения ЛПР как носителя интегрального критерия, либо путем наращивания номенклатуры полностью формализуемых критериев.
Другими словами, ТПТП как концептуальная среда является более сложной, а получаемые для нее закономерности имеют достаточно обобщенный характер по сравнению с традиционными ТП машино- и приборостроительного профиля. Поэтому выбор указанной концептуальной :реды в качестве базовой имеет не только важное народно-хозяйственное, яо и методологическое значение и позволяет распространить разработанные яа ее основе принципы и методики на другие концептуальные среды. Как примеры таких переходов в работе рассмотрены вопросы организации и мониторинга учебно-полиграфического ТП, а также ТП создания электронного учебного пособия.
Таким образом, базовой предметпой областью (концептуальной :редой) для исследований в настоящей работе является технологический процесс трикотажного производства, а полученные на ее основе закономерности и методики использую.тся в других предметных областях.
Основные задачи диссертациоппого исследования. Методы исследоваиий.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка научно-технических и методологических основ алгоритмизации мониторинга технологических процессов со слабо формализуемыми критериями в классе лаяых систем на базе ТПТП как концептуальной среды. Заметим, что термины "алгоритмизация" и "слабо формализуемые критерии" здесь не противоречат друг другу, так как первоначально сугубо математическое юнятие алгоритма в настоящее время расширено и допускает включение 5 него неформализованных действий, если они однозначно понимаются и їьіполняются человеком (может быть, и неосознанно).
Реализация сформулированной цели строится как постановка и эешение применительно к различных иерархическим уровням и подсистемам сласса информационных, аналитических и оптимизационных задач, )бъединенных единой концептуальной средой и доведенных до уровня ірограммно-аппаратного исполнения, адаптированного к конкретным условиям ювременного производства, в частности:
- системный анализ концептуальной среды как объекта мониторинга, ірганизация и факторизация признакового пространства, исследование его ірограммно-алгоритмической и технической обеспеченности, труктурирование концептуальной среды и организация ее инфологической гадели как основы для построения соответствующей базы данных;
- концепция построения иерархической структуры системы мониторинга
ТПТП, обоснование выбора критериальной функции для каждой подсистемы
и критериальной свертки для системы в целом в условиях ресурсных
ограничений; методологическое и технологическое обеспечение реализации
концепции в условиях реального производства;
разработка теоретических основ дефектоскопии поверхностей с квазирегулярной пространственной структурой, проблемно-ориентированное исследование их характеристик рассеяния, концепция выявления информативных признаков дефекта, характерных для всего алфавита классов подсистемы и обеспечивающих достаточную надежность распознавания в условиях ресурсных ограничений;
программно-аппаратный анализ статистической структуры полотна как случайного яркостного поля, математическое моделирование сигнально-помеховой ситуации;
теоретическое и экспериментальное исследование характеристик элементов иглы как объекта мониторинга, организация и факторизация признакового пространства для подсистемы контроля игл с учетом ее факторной нагрузки в общей структуре системы мониторинга ТПТП, разработка теоретических основ проектирования оптико-электронных приборов контроля элементов игл;
- изучение характеристик нитей как объектов мониторинга,
организация и факторизация признакового пространства для подсистемы
мониторинга нитей с учетом как ее относительной факторной нагрузки,
так и программно-аппаратной обеспеченности в общей структуре системы
мониторинга ТПТП, разработка методических основ проектирования
оптико-электронных приборов контроля нитеподачи.
Методы исследований, используемые в работе, определяются, с одной стороны, ее общесистемным характером, а с другой стороны -спецификой базовой концептуальной среды.
ТП, как и любая система вообще, может быть описан различными структурными представлениями. В этом смысле проблема проектирования системы управления ТП состоит в построении модели ее функционирования при заданной структуре, которая определяется неформальным образом. В настоящей работе для описания структуры управления используется теория иерархических многоуровневых систем. Заведомо более сложная организация таких систем в данном случае представляется оправданной, так как обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с централизованным управлением:
введение избыточности в систему, что повышает ее надежность и адаптивность к внешним возмущениям;
снижение требований к точности информации, используемой отдельными подсистемами, вследствие их взаимной коррекции;
возможность самостоятельного описания процессов в каждой подсистеме с использованием оптимальных для нее формализмов.
Организация и снижение размерности признакового пространства как исследуемой системы в целом, так и отдельных ее подсистем в работе выполняется с применением методов многомерного статистического анализа, в том числе метода главных компонент, факторного анализа, нелинейного отображения многомерных данных в пространства пониженной размерности и др. При этом используются прикладные программные пакеты Statistica 2.0, Statgraph 3.0.
Особенности концептуальной среды и, в частности, характерный для нее диапазон пространственных частот объектов и дефектов порядка 1-10 мм*1 обусловливают выбор в качестве основного средства аппаратной реализации мониторинга ТПТП систем технического зрения. Этой проблематике соответствуют используемые в работе теория оптико-электронных приборов и систем, а также теория распознавания образов.
В экспериментальной области при исследовании статистических свойств отдельных подсистем концептуальной среды привлекались методы математического моделирования. Модели в основном реализованы на основе системы программирования Turbo Pascal.
Обработка и оценка результатов экспериментальных исследований макетов и опытных образцов, реализованных в ходе выполнения работы, проводились по общепринятым статистическим методикам.
Научная новизна работы состоит в разработке концептуальных основ,. методологического и алгоритмического обеспечения мониторинга технологических процессов со слабо формализуемыми критериями, а также теоретическом и экспериментальном исследовании характеристик концептуальной среды и отдельных ее подсистем как объекта мониторинга, что позволило улучшить характеристики обнаружения дефектов и расширить рабочий диапазон параметров концептуальной среды.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. В качестве методологической основы для построения рабочего
алфавита классов, характеризующего структуру концептуальной среды,
правомерно использовать математико-статистические методы снижения
размерности признакового пространства. Конфигурация получаемого при
этом группирования незначительно изменяется при смене метрики
отображающего пространства и, следовательно, отражает имманентную
структуру признакового пространства концептуальной среды.
В частности, для ТПТП как концептуальной среды адекватной оказывается эвклидова метрика.
2. Система мониторинга концептуальной среды может строиться как
двухуровневая иерархическая система с использованием принципов
координации; стратегия координации при этом включает в себя
прогнозирование взаимодействий и модификацию целей. Созданный
комплекс базовых признаков для всех подсистем концептуальной среды
эбеспечивает отчетливую кластеризацию как пространства экзогенных
переменных (признаков), так и пространства эндогенных переменных
^целевых функций), а также возможность построения графа соответствий
между кластерами обоих пространств и, следовательно, применимость выбранной стратегии координации.
-
Монотонность признакового пространства концептуальной среды позволяет при организации связи между локальными и глобальной функциями качества обойтись без их формализации, используя процедуру обучения и включив ЛПР непосредственно в процесс контроля на уровне координатора. При этом задача координатора по сравнению с традиционными алгоритмами упрощается, ограничиваясь толькс фиксацией отсутствия дефектов в течение процесса обучения.
-
Построенная в работе система алгоритмов функционирования и, е частности, организации итеративной процедуры обучения подсистем концептуальной среды реализует близкие к предельным характеристика обнаружения при сравнительно небольших значениях отношений сигнал/помеха
-
Показано, что для оптической обработки полотна как текстурированной среды целесообразно использовать информацию а объемной структуре его приповерхностного слоя, что позволяет уже Не уровне оптического сигнала уменьшить паразитную модуляцию за счет штатной структуры полотна. Выявлен "канальный" механизм рассеянш излучения в полотне, связанный с распространением излучения в толще полотна параллельно его поверхности и выходом его наружу в зоне дефекта. Предложена модель приповерхностного слоя полотна, адекватне объясняющая большинство выявленных закономерностей.
-
Для снижения паразитной модуляции в подсистеме ните? предложено использовать многократное прохождение пучка излученш через зону, содержащую нить.
-
В качестве показателя адекватности системы мониторинге концептуальной среды правомерно использовать ее устойчивость і вариациям статистических характеристик концептуальной среды Построенная система критериев обеспечивает, в отличие от аналогов автоматическое поддержание координации критериев отдельны? подсистем концептуальной среды при изменении характеристик последнее в пределах и с точностью, определяемых процедурой обучения.
8. Результаты натурных и модельных экспериментов, включающие в себя
- относительную оценку дисперсий отдельных подсистеь
концептуальной среды;
комплексную оценку отражательно-рассеивающих характеристиі полотна как подсистемы концептуальной среды;
оценку характеристик пространственного спектра базовыз переплетений полотна как элементов концептуальной среды;
комплексную оценку фотометрических свойств игл как подсистемь концептуальной среды и их модельное представление.
Практическая ценность работы. Полученные в работе теоретическш положения и экспериментальные результаты послужили основой для разработка методов проектирования комплекса оптико-электронной аппаратуры осуществляющей мониторинг ТПТП в условиях реального производства 8
1. Разработаны методики:
расчета параметров приемо-передающих узлов для подсистем контроля полотна и игл, позволяющих уже на уровне оптического сигнала повысить отношение сигнал/помеха;
численной оценки параметров штатной структуры и дефектов для объектов контроля отдельных подсистем;
расчета параметров конфигурации узла подвески для подсистемы контроля полотна, позволяющая расширить зону контроля без конструктивных изменений основного оборудования;
оценки параметров процедуры обучения, позволяющих организовать ее одновременно для всех подсистем системы мониторинга.
-
Разработаны и описаны через технологически достижимые переменные алгоритмы итеративной процедуры самообучения для отдельных подсистем системы мониторинга, реализующие близкие к предельным характеристики обнаружения дефектов.
-
Конструктивно реализован и в производственных условиях апробирован комплекс оптико-электронной аппаратуры для мониторинга ТПТП, обладающий повышенными, по сравнению с аналогами, техническими и производственными характеристиками.
Личш.ш вклад автора. Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором, при его непосредственном участии или под его руководством. Автором выполнены исследования, определившие защищаемые положения, разработанные методики и алгоритмы. Соавторство, в основном, относится к проведению экспериментальных исследований и внедрению конкретных образцов аппаратуры.
Реализация результатов работы. Развитые в ходе выполнения диссертационной работы методы, алгоритмы и технические решения нашли следующие применения:
диссертационная работа является составной частью научно-исследовательской работы, выполненной при участии автора в СПбГИТМО(ТУ) по договору № 89139 между СПбГИТМО(ТУ) и ЦНИИАГ (г. Москва) на тему "Оптический анализ технологического процесса вязания";
диссертационная работа является составной частью научно-исследовательской работы, выполненной при участии автора в СПбГИТМО(ТУ) по договору № 89126 между СПбГИТМО(ТУ) и АООТ "Вулкан" (г. Санкт-Петербург) на тему "Создание датчика по обнаружению дефектов полотна кругловязальных машин";
комплекс оптико-электронной аппаратуры для мониторинга ТПТП получил промышленное внедрение на таких предприятиях, как СПбПТО "Н ика" (г. Санкт-Петербург), ТОО ПКФ "Дом моделей" (г. Санкт-Петербург), СПбТО "ЛАК" (г. Санкт-Петербург), гардинно-кружевное объединение (г. Санкт-Петербург);
ряд теоретических и прикладных результатов диссертации использован при организации допечатнои подготовки литературы в
редакционно-издательском отделе СПбГИТМО(ТУ).
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах, конференциях, совещаниях и семинарах:
- Международном симпозиуме "Прикладная оптика-94" (Санкт-
Петербург, 1994), V международной научно-методической конференции
"Высокие интеллектуальные технологии образования и науки" (Санкт-
Петербург, 1999);
- Всесоюзной конференции "Измерение и контроль при автоматизации
производственных процессов" (Барнаул, 1982), II Всесоюзном совещании
"ОСУ и измерительные приборы на их основе" (Барнаул, 1984), III
Всесоюзном совещании "Координатно-чувствительные фотоприемники и
оптико-электронные приборы на их основе" (Барнаул, 1985), III
Всесоюзном совещании "Оптические сканирующие устройства и
измерительные приборы на их основе" (Барнаул, 1986), IV Всесоюзной
конференции "Эллипсометрия - метод исследования поверхности твердых
тел" (Новосибирск, 1989), Всесоюзной конференции "Оптоэлектронные
информационные системы и средства" (Москва, 1990), V Всесоюзном
совещании "ОСУ и измерительные приборы на их основе" (Барнаул, 1991),
5 Российской научно-практической конференции "Повышение
академического уровня учебных заведений на основе новых
образовательных технологий" (Екатеринбург, 1997), 6 Российской научно-
практической конференции "Повышение академического уровня учебных
заведений на основе новых образовательных технологий" (Екатеринбург,
1998), 1 Всероссийской научно-практической конференции "Дизайн в
России: проблемы теории и практики" (Санкт-Петербург, 1998),
Всероссийской научно-методической конференции "Телематика-99" (Санкт-
Петербург, 1999);
- Межотраслевой научно-технической конференции "Перспективы
создания оборудования для трикотажной промышленности" (Санкт-
Петербург, 1992), научно-техническом семинаре "Оптико-электронные
приборы в системах контроля и управления" (Москва, 1978);
научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО(ТУ) (1999, 2000);
- IV научно-технической конференции молодых специалистов, ЦКБ
"Точприбор" (Новосибирск, 1982), международной конференции молодых
ученых и специалистов "Оптика-99" (Санкт-Петербург, 1999).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 47 научных работ, в том числе 7 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка и приложений Работа содержит 347 страниц, включая 38 таблиц, 172 рисунка; библиографический список включает в себя 391 наименование.
