Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Техническое обслуживание в системе обеспечения качества уборочных работ 9
1.2. Управление технологическим процессом машины 16
1.3. Анализ особенностей технологической регулировки зерноуборочного комбайна 19
1.4. Методы представления знаний и области применения экспертных систем 28
1.5 Цель и задачи исследований 35
2 Теоретическое обоснование процедуры принятия решений при технологической регулировке комбайна 38
2.1. Характеристика задачи принятия решений при корректировке технологических регулировок комбайна 38
2.2 Метод корректировки технологических регулировок с применением экспертных систем 49
2.3 Определение последовательности корректировки технологических параметров комбайна 53
2.4 Логико-лингвистическое описание задачи регулировки 58
2.5 Методика построения функций принадлежности 63
2.5.1 Косвенный метод построения функции принадлежности 64
2.5.2 Построение функции принадлежности с использованием типовых функций 70
2.6 Выводы 73
3 Задача выбора регулировочных параметров комбайна при индуктивном логическом выводе 75
3.1 Методика индуктивного логического вывода при решении
задачи корректировки технологических регулировок 75
3.2 Практические аспекты реализации методики 81
3.3 Нечеткий логический вывод решении 97
3.4. Выводы 105
4 Практические аспекты создания экспертной системы 106
4.1 Этапы разработки экспертной системы 108
4.2 Структура экспертной системы 111
4.3 Подсистема «Технологическая регулировка» 114
4.4 Практическое использование экспертной системы 120
4.5 Выводы 126
5 Оценка результативности и эффективности применения ЭС 127
5.1 Анализ результативности использования ЭС 128
5.2 Экономическое обоснование применения метода 133
5.3 Выводы 144
Общие выводы 145
Список используемой литературы
- Анализ особенностей технологической регулировки зерноуборочного комбайна
- Метод корректировки технологических регулировок с применением экспертных систем
- Построение функции принадлежности с использованием типовых функций
- Подсистема «Технологическая регулировка»
Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечение продовольственной независимости страны - одна из важнейших задач, успешное решение которой зависит от эффективного функционирования отраслей агропромышленного комплекса АПК). Основным условием в решении вопросов технического обеспечения предприятий АПК является высокое качество и конкурентоспособность отечественной сельскохозяйственной техники (в частности зерноуборочных машин). В повышении эффективности использования машин, своевременном выявлении и предотвращении технологических и технических отказов большая роль принадлежит техническому обслуживанию. На практике при использовании сложной уборочной техники одной из важнейших задач является технологическая регулировка машины в полевых условиях. Эта задача относится к классу трудноформализуемых задач. В основном решение проблемы управления и технического обслуживания машиной возлагается на оператора и зависит от его квалификации. Трудности с решением задачи технологической регулировки связаны с неопределенностью информации о факторах внешней среды, в которой функционирует зерноуборочный комбайн, а также сложностью и недостаточной изученности взаимосвязей между факторами уборки, регулировочными параметрами и показателями качества работы комбайна.
Поэтому особого внимания заслуживают вопросы разработки систем информационной поддержки интеллектуальной деятельности оператора, помогающие ему при проведении уборочных работ. Одним из таких перспективных направлений является разработка экспертных систем для рассматриваемой предметной области.
Исследования проводились в соответствии с заданиями научно-технических программ Министерства науки и образования РФ: грант по фундаментальным исследованиям в области технических наук 2003 - 2004 гг. (раздел 6. Машиностроение, № ГР 01.20.0307197; ЕЗН 2004 - 2005 гг. тема № 1.8.04. № ГР 01.20.0405396; Госконтракт № 3136р/5582 с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере 2005 - 2006 гг. №ГР 01.20.0507269
Цель исследований - обоснование и разработка метода технологической регулировки зерноуборочного комбайна с использованием экспертной системы, позволяющего сократить затраты времени на технологические простои и, как следствие, повысить сменную производительность комбайнов.
Объект исследований - система «оператор-комбайн-внешняя среда», процесс технического обслуживания машины в период уборочных работ.
Предмет исследований - процедуры принятия решений при технологической регулировке рабочих органов молотилки комбайна; информационные аспекты взаимодействия оператора с машиной и средой.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы теории систем, теории нечетких множеств, теории искусственного интеллекта, математической статистики, математической логики,
Научная новизна заключается в построении модели предметной области «технологическая регулировка» с использованием нечетких экспертных знаний. Выявлено, что использование моделей нечеткой логики высказываний позволяет формировать процедуры решения задач корректировки технологических регулировок машины.
Выявлены и структурированы внешние признаки отклонений показателей качества работы зерноуборочного комбайна, а также связи между структурными элементами системы.
Предложено логико-лингвистическое описание процесса принятия решений по корректировке технологических регулировок. Определены базовые терм-множества лингвистических переменных для показателей качества работы комбайна и регулируемых параметров рабочих органов.
Получены аналитические выражения и определены параметры функций принадлежности рассматриваемых лингвистических переменных. Разработан механизм принятия решений при корректировке технологических регулировок сложной уборочной машины.
Практическая ценность состоит в использовании разработанной инженерной методики формализации знаний предметной области - технологическая регулировка машины, базы знаний и механизма вывода решений, а также программного обеспечения. Разработана программная система для решения задач технологической регулировки зерноуборочного комбайна, что позволяет уменьшить длительность времени процесса корректировки технологических регулировок комбайна при изменяющихся внешних условиях, снизить потери продукта, увеличить сменную производительность машин.
Использование экспертной системы в практических условиях позволяет обеспечить накопление и тиражирование знаний, с целью повышения качества уборочных работ при наличии персонала невысокой квалификации.
Основные результаты и положення, выносимые на защиту диссертации:
1. Методика формализации и структуризации нечетких экспертных знаний изучаемой предметной области.
2. Информационно-логическая модель процесса решения задачи по технологической регулировке зерноуборочного комбайна.
3. Методика нечеткого индуктивного логического вывода решений по технологической регулировке машины.
4. Метод корректировки технологических регулировок молотилки зерноуборочного комбайна на основе экспертных систем.
5. База знаний по технологической регулировке комбайна.
Реализация результатов исследования. Экспертная система по технологической регулировке зерноуборочных комбайнов использована при организации ТО в агрофирмах КХ "Сельская новь", СХА "Россия", птицефабрика "Бе-локалитвинская", КФХ «Никта», Сервисный центр ООО «Бизон», Технический центр «Дон», филиал «Краснодарский» ОАО «Дон-Трейдинг», сервисный центр «Техноком» Ростовской области. Материалы исследований используются ДГТУ в учебном процессе по специальностям 190206 «Сельскохозяйственные машины и оборудование» и 250001 «Управление качеством». Результаты исследований используются Управлением сервисного обслуживания ОАО «Ро-стсельмаш» при информационном обеспечении и организации системы технического обслуживания сельскохозяйственных машин.
Апробация работы. Материалы исследований доложены и одобрены на научных конференциях: Донского государственного технического университета (2003 - 2006 гг.); «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» (Одесса, 2005); на Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию ДГТУ «Современные проблемы машиноведения и высоких технологий» (Ростов н/Д, 2005); на VI Международной научной конференции «Компьютерное моделирование 2005» (СПб Санкт-Петербург, 2005); на XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-18» (Казань, 2005).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 работах, в том числе в журналах из списка ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых литературных источников, приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, имеет 32 рисунков, 21 таблицу и приложения на 68 листах.
Список литературных источников включает 97 наименования, из которых 6 на иностранных языках.
Анализ особенностей технологической регулировки зерноуборочного комбайна
Вследствие сложности и трудоемкости работ по техническому обслуживанию машин необходимо иметь не только специализированную службу, оснащенную всеми необходимыми средствами (включая средства передвижения и связи), но и полную информационную поддержку для оператора (лица, принимающего решение) особенно в период уборочных работ. Для обеспечения высокопроизводительной и качественной работы МТА механизатор должен ежедневно затрачивать 1 - 1,5 ч на техническое обслуживание и около 1 ч на технологическую регулировку сельскохозяйственных машин [80].
Современная концепция развития системы технического обслуживания, предполагает ведущую роль технической диагностики, как основного технологического элемента системы ТО, Процесс диагностирования в схеме управления технологическим процессом состоит из нескольких этапов (рисунок 1.3) [2, 50, 85, 87]. На рисунке 1.3 известная схема дополнена составляющими, раскрывающие характерные особенности предметной области.
Для оценки состояния широко применяется органолептический метод. Подобным методом пользуются и при определении параметров условий уборки и оценок показателей качества процесса.
Входные данные позволяют оператору сформулировать стратегию диагностирования. Формулировка стратегии - есть процедура принятия решения.
Основной процедурой второго этапа является измерение диагностических параметров (измерений параметров внешней среды, показателей качества уборки). Качество полученных результатов зависит от технических характеристик используемого оборудования, средств измерений; компетентности обслуживающего персонала и т. д. Неграмотная эксплуатация снижает степень загрузки диагностического оборудования и качество результата. По некоторым данным степень загрузки диагностического оборудования составляет всего лишь 70% [60, 66].
Полученные значения диагностических параметров (знания в виде данных) являются исходной информацией для проведения третьего этапа диагностирования - принятия решений.
Решение достаточно сложных задач технологической регулировки наталкивается на естественные трудности, связанные с необходимостью обработки больших объемов информации и логического анализа сложных взаимосвязанных процессов. Значение данных факторов усиливается в условиях скоротечности уборочных процессов, высокой опасности ошибочной или запоздалой оценки технического состояния зерноуборочного комбайна, факторов внешней среды либо показателей качества работы, что приводит к значительным потерям урожая и не позволяет получить возможный эффект.
Основные пути снижения трудоемкости и повышение качества проведения технического обслуживания связаны с совершенствованием методов, средств и технологии (рисунок 1.4) [39, 42, 50, 53]. Следует отметить, что оператор и его действия в процессе проведения работ по ТО зачастую не рассматриваются как элемент технологической цепочки процесса диагностики, тем самым исключается влияние профессиональной компетентности персонала на конечный результат. Использование автоматических комплексов, исключающих оператора из процесса диагностики на данном этапе развития ТО в сельскохозяйственном производстве, не представляется возможным. Однако некомпетентность обслуживающего персонала можно компенсировать за счет информационной поддержки его деятельности, т.е. использованием систем поддержки принятия решений.
Решение проблемы эффективного использования сложной уборочной машины возможно как за счет автоматизации технологического процесса, выполняемого машиной, так и внедрением систем, обеспечивающих помощь оператору для достижения конечной цели и решения оперативных задач технологической регулировки, возникающих при выполнении уборочных работ.
Анализ функционирования системы «оператор-машина-среда» позволяет выделить и акцентировать внимание на три основные функции человека. Это обработка информации, принятие решений и управление (действия) [90]. Данные функции, выполняемые оператором при уборке зерновых, являются достаточно универсальными.
Наиболее сложным этапом деятельности человека в системе «оператор-машина-среда» является принятие решений. Производительность и качество работы системы «оператор-комбайн» в значительной степени зависит от информационной нагрузки на оператора. Перегрузки могут возникать как в каналах прямой, так и обратной связи. Составляющими канала прямой связи являются управляющие воздействия, связанные с установкой значений параметров и выбором режимов работы рабочих органов и комбайна.
В канале обратной связи оператор получает информацию о состоянии машины, о фактических значениях регулируемых параметров, о показателях качества технологического процесса. Для отображения указанной информации в современных сельскохозяйственных машинах используется большое количество приборов (более 20), наблюдением за которыми оператор зачастую пренебрегает, так как большая доля времени (от 70% до 90% [80]) приходится на управление движением.
Главным отрицательным последствием информационных перегрузок оператора является резкое ухудшение качества выполняемых работ. Ущерб от некомпетентности при принятии решений сказывается на повышенных потерях зерна, дроблении, микроповреждениях и др., простоях комбайна, низкой сменной производительности, увеличение сроков уборки.
Метод корректировки технологических регулировок с применением экспертных систем
Зерноуборочный комбайн является динамической нечеткой системой, которая функционирует в условиях внешней среды, отличающейся изменчивостью и неопределенностью. Управление данной системой осуществляют на основе информационных потоков связывающих внешнюю среду, машину и оператора (рисунок 2.3).
В общем виде состояния регулировочных параметров зерноуборочного комбайна целесообразно рассматривать как состояния нечеткой системы, характеризующиеся предпосылками как входом, и заключениями, как выходом (рисунок 2.4)
Собственно система, ее входы и выходы - это три взаимосвязанных объекта, которые в каждой конкретной ситуации определяются соответственно описанием системы (структура и свойства компонент или математическая модель системы), а также заданием множеств входных и выходных переменных.
В зависимости от того, какой из этих объектов подлежит определению, можно выделить различные типы задач при управлении технологическим процессом уборки, выполняемого зерноуборочным комбайном (рисунок 2.5).
Решение любой из этих задач непосредственно связано с исследованием состояний системы, множество которых образует пространство состояний.
Задача измерения значений факторов внешней среды, регулируемых параметров и показателей качества имеет самостоятельный характер. Характерной особенностью является то, что при ее решении зачастую используются эвристики, а это в значительной степени обуславливает использование подхода, основанного на нечетких множеств, к решению других задач.
Вторая и третья задачи являются превалирующими. В одном случае моделируются отношения «внешний фактор» - «значение регулируемого параметра», во втором случае моделируются отношения «значения регулируемых параметров» - «значения показателей качества работы комбайна». В первом случае необходимо по известным значениям внешних факторов определить значение регулируемого параметра, во втором случае по известному внешнему признаку нарушения технологического процесса определить технологический параметр (регулировку) являющуюся причиной появления этого нарушения.
Задача прогнозирования имеет локальный характер и позволяет осуществить так называемую «тонкую регулировку», т.е. ее решение позволяет отыскать оптимальный вариант расхода ресурсов в соответствии с конкретными целями задачи принятия решений в каждом конкретном хозяйстве.
Решение сложных (в достаточной степени) задач принятия решения «вручную» наталкивается на известные трудности, вытекающие, во-первых, из необходимости эвристической обработки большого объема информации и, во-вторых, из необходимости логического анализа сложных взаимосвязанных процессов. Значение указанных фактов усиливается в условиях скоротечности уборки, опасности ошибочной или запоздалой оценки технического состояния зерноуборочного комбайна, что приводит к значительным потерям урожая и не позволяет получить возможный эффект.
Эффективность решения задачи зависит от принятой ЛПР стратегии. Следовательно, для ЛПР (в данной работе в качестве ЛПР рассматривается оператор, имеющий невысокую квалификацию) целесообразно иметь готовый набор возможных стратегий в соответствии с конкретными условиями уборки. С точки зрения процедуры принятия решения, некомпетентность ЛПР заключается в отсутствии определенных правил рационального поведения. При этом данный набор стратегий есть ни что иное, как эмпирические нечеткие экспертные знания, которыми и владеет эксперт.
На практике отсутствие знаний по техническому обслуживанию наиболее остро ощущается при вводе отдельного вида машин в эксплуатацию. При этом знания, полученные при производстве машины, в чистом виде мало пригодны для организации технического обслуживания. Соответственно необходим инструментарий обработки знании, способный представить их в виде пригодном для организации обслуживания, в частности для решения задачи технологической регулировки. Имеющаяся априорная система знаний в процессе эксплуатации по мере появления апостериорных знаний дополняется и редактируется.
В результате анализа методология принятия решений адаптирована для изучаемой предметной области. Для практической реализации теоретических положений предлагается метод технологической регулировки, включающий помимо структурных составляющих, компоненту, обеспечивающую информационную поддержку оператору при техническом обслуживании комбайна (рисунок 2.6).
Построение функции принадлежности с использованием типовых функций
В соответствии с данным методом вид функции задается аксиоматически, а ее параметры непосредственно оцениваются лицом, принимающим решения. Например, в случае треугольной формы функции принадлежности ЛПР указывает такие ее параметры ub u2, U] при которых она принимает единичное и нулевые значения, т. е. //л(н2)= и для всех и щ,и иъ имеет место АА(")= Параметрическое представление функций принадлежности является компактным, обеспечивает простоту построения их на практике, однако связано с исследованием адекватности используемых форм (треугольной, трапециевидной, колоколообразной и др.) и соответствующих аналитических описаний функции принадлежности.
Конкретный вид функций принадлежности определяется па основе различных дополнительных предположений о свойствах этих функций (симметричность, монотонность, непрерывность первой производной и т.д.) с учетом специфики имеющейся неопределенности.
Для построения значений ФП используются функции, представленные в таблице 2.7.
Термы лингвистических переменных определены на действительной оси R (в соответствии с физическим смыслом переменной). В единичном случае примем, что А сЛ,, а также обозначим inf X через .v , supX через х" - соответственно нижняя и верхняя грани множества [3]. При построении функций принадлежности необходимо рассматривать упорядоченное множество термов Т. Данная процедура означает, что терм, который имеет носитель, расположенный левее на действительной оси, получает меньший номер. дить и рассматривать). Во втором случае (см. рисунок 2.9 б) имеется центральный участок области определения термов, которому не соответствует какое-либо понятие.
Условие (2.15) указывает на то, что каждое понятие имеет хотя бы один типичный объект, обозначаемый этим понятием. Поэтому недопустимо совмещение на одном отрезке шкалы функции принадлежности с различной высотой J = max//( ). Предполагается использование нормальных нечетких множеств с высотой d = 1.
Условие (2.16) оговаривает ограниченность области определения X конечным множеством точек. Данное условие, например, для регулируемых параметров рабочих органов, является естественным, так как эти ограничения обусловлены конструкцией машины.
Один из возможных подходов при построении функции принадлежности термов ЛП связан с использованием (L-R) представления нечеткой переменной СП!, которая в соответствии с этим может быть охарактеризована тройкой (С, С\ С"), где С - среднее значение, С и С"- соответственно нижнее и верхнее отклонения. Функция принадлежности в этом случае определяется как [59] где L и R - колоколообразные функции.
1. Зерноуборочный комбайн целесообразно рассматривать как динамическую нечеткую систему, характеризующуюся предпосылками как входом, и заключениями, как выходом, которая функционирует в условиях внешней среды, отличающейся изменчивостью и неопределенностью. Процедура принятия ре шений при технологической регулировке рабочих органов комбайна есть процедура вывода в нечеткой среде.
2. Разработанный метод корректировки технологических регулировок зерноуборочных комбайнов, на основе процедур принятия решений в рассматриваемой предметной области, в качестве структурной составляющей содержит систему информационной поддержки принятия решений. Отличительной особенностью метода является использование нечетких экспертных знаний, что значительно расширяет спектр используемых методов технического обслуживания и соответствует реальным условиям уборки.
3. Предлагаемая методика моделирования нечетких высказываний позволяет построить информационно-логическую модель предметной области, которая является основой для идентификации процесса принятия решений по технологической регулировке комбайна.
4. Эффективность работы механизма вывода решений ЭС (а, следовательно, время, затрачиваемое на принятия решений) определяется последовательностью корректировок технологических регулировок. В результате проведенных исследований получены экспертные оценки весомости технологических параметров молотилки на появление внешних признаков отклонений качественных показателей работы зерноуборочного комбайна, что позволяет выбрать оптимальную последовательность корректировок.
Подсистема «Технологическая регулировка»
Для достижения поставленной цели нами разработана экспертная система, структурная схема которой представлена на рисунке 4.1.
Экспертная система состоит из подсистем: "Конструкция", "Настройка", "Регулировки", "Неисправности". Ниже представлена краткая характеристика основных блоков ЭС:
База знаний - совокупность всех имеющихся сведений о конкретной проблемной области, для которой предназначена данная экспертная система. Информация о предметной области изображается в виде формальных структур на основе различных моделей представления знаний.
Механизм вывода - формально-логическая система, реализованная в виде программы и позволяющая логически выводить искомую для пользователя информацию. При этом используются сведения, хранящиеся в базе знания и факты, поступившие от пользователя в базу данных.
Интерфейс - система общения пользователя с экспертной системой, предназначенная для передачи информации по каналу пользователь-ЭВМ и об ратно. При этом целесообразно использовать различные типы интерфейса: естественно-языковой, графический, визуальный и др.
Блок объяснений - компонента ЭС, позволяющая пользователю (ЛПР) «отследить» процесс решения задачи и убедиться в обоснованности принятого решения. Для неподготовленного пользователя дает возможность изучить процесс принятия решения.
При построении базы знаний нами проведен анализ степени выполнения совокупности требований: база знаний должна быть обоснованной: она должна быть построена на основе знаний высококвалифицированного специалиста-эксперта; база знаний должна быть полной: она должна содержать ответы на все возможные вопросы в предварительно очерченной и структурированной предметной области; база знаний должна быть непротиворечивой: она должна содержать непротиворечивые ответы на любые заданные вопросы.
Экспертная система реализует функции: описание конструкции зерноуборочных комбайнов; корректировка технологических регулировок; объяснение полученных результатов; дополнение и редактирование знаний; помощь пользователю при работе с ЭС.
Специфические особенности предметной области и основные требования, предъявляемые к экспертным системам, определили состав ее компонент. Рассматриваемая ЭС имеет блоки: блок ввода информации; база знаний; блок приобретения знаний; блок вывода; блок объяснения принятых решений.
Особое место в экспертной системе занимает режим работы системы со знаниями. В этом режиме реализованы следующие возможности: загрузка в систему знаний, указанных экспертом; удаление указанных знаний; редактирование знаний; дополнение знаний; чтение базы знаний; сохранение знаний.
В системе реализованы обе характерные особенности, присущие экспертным системам: реализация объяснительной компоненты (ответ на вопрос "почему получено такое решение?") и возможность ответа на вопрос "а что если?".
Экспертная система работает в двух режимах: приобретение знаний и решение задачи.
В режиме приобретения знаний инженер по знаниям совместно с экспертом формирует базу знаний.
В режиме решения задачи с ЭС общается пользователь. Диалоговый блок ввода информации обеспечивает естественно-языковый интерфейс с пользователем. База знаний содержит описание технологических регулировок рабочих органов для различных условий функционирования. Блок механизмов вывода на основе полученной от пользователя (либо от датчиков) текущей информации, правил и общих фактов о предметной области формирует решение задачи. Блок объяснения решений позволяет разъяснить пользователю, каким образом получено то или иное решение, какие правила и почему при этом использовались. Блок синтеза ответа является конечным звеном в работе ЭС. В зависимости от желания пользователя решение задачи может быть представлено на дисплее, выведено на печать. При необходимости в закодированном виде информация может быть передана на исполнительные устройства.
В диалоговом режиме ЭС запрашивает у пользователя тип решаемой задачи и обрабатывает полученные от него декларативные знания. При этом вариации запросов осуществляются с помощью разнообразных меню с предоставлением подсказок (для лучшей ориеитации неподготовленного пользователя). В данном случае применяется система вложенных сценариев в рамках директивного диалога. Сценарий представлен в виде древовидного графа диалоговых процедур, в котором корневой элемент графа является точкой инициализации диалога, а терминальные элементы точками выхода [11, 36]. Помощь пользователю вызывается указанием курсора на строку в меню. При этом предоставляется текстовая информация о работе экспертной системы и о возможных действиях пользователя. В экспертной системе используются три типа диалогов: диалог типа меню; диалог типа вопрос - ответ; диалог на основе экранных форм.
Основная проблема разработки интерфейса связана с отсутствием у пользователя навыков работы на компьютере. Таким образом, организация квалифицированной помощи подсказок становится из дополнительной услуги ключевым вопросом [29]. Кроме традиционной статической информации в экспертной системе используются элементы мультимедиа, которые существенно увеличивают наглядность и позволяют облегчить работу пользователей, непривычных к использованию компьютеров [96].
Похожие диссертации на Обоснование экспертной системы технологических регулировок зерноуборочного комбайна
