Введение к работе
Актуальность работы обуславливается тем, что в настоящий периоднёстабильное состоя-ие многих отечественных металлургических предприятий, особенно тех, где производство бази-уется на процессах обработки металлов давлением, способствовало переходу задач оперативного правления, планирования и прогнозирования на новый качественный уровень. Для их эффектив-ого решения требуются новые математические методы, схемы и подходы обработки разнородной роизводствениой ин([юрмации. Такая информация подвержена стохастическим воздействиям, асто заключена в трудно формализуемые экспертные знания, которые сосредоточенны в практи-сском опыте и навыках работы производственного персонала.
Перспективным направлением в этой области является разработка и применение интеллекту-льных имитационных моделей (ИМ). Однако в настоящий период недостаточно методов фор-іального описания, ориентированных на конкретные типы предметных областей (ПО). Такие ме-оды должны: во-первых, быть инструментом при разработке интеллектуальных ИМ, создаваемых ;ля решения реальных задач производства вне зависимости от особенностей типовой предметной ібласти; и, во-вторых, быть ориентированны на современные технологии разработки программах систем, в частности на объектно - ориентированную технологию. Особенно актуально эта іроблема стоит для металлургических производственных систем дискретного типа, в которых іроводятея разнообразные процессы потокового обслуживания.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование предметно - ориенти-юванного метода формального описания, интегрирующего элементы дискретно - дстерминиро-инных математических схем и методы представления экспертных знаний искусственного интел-іекта. Применить представленный метод для синтеза интеллектуальных имитационных моделей :ложных дискретных производственных систем, в основе функционирования которых лежат провесы потокового обслуживания, на примере процесса производства холоднокатаной нержавею-цей ленты.
Поставленная цель диссертационной работы определяет следующие задачи исследования.
Анализ современного состояния типовой предметной области (ПО), а так же технологиче-:кой и информационной структуры основных производственных процессов, протекающих в ПО. Дель анализа - выявить особенности, влияющие на решение задач оперативного управления и про-тюзирования в условиях нестабильности производства.
Анализ существующих методов представления знаний (МПЗ) искусственного интеллекта ИИ) и методов организации интеллектуальных имитационных моделей (ИМ) производственных мютем дискретного типа для выявления условий их интеграции.
Разработка способа описания эвристических экспертных знаний для отражения в имита-дионных моделях трудно формализуемых процедур управления объектами ПО в сложных произ-юдственных ситуациях.
Разработка формальной схемы объектов предметной области, выполняющих операции потокового обслуживания и интегрирующей в себе формальное описание общей схемы функционирования и эвристические экспертные знания в виде соответствующего МПЗ.
Разработка общей формальной схемы типовой предметной области, сочетающей как фор мализуемые элементы модели, так и эвристические экспертные знания о проводимых в ПО про цессах.
Создание на основе предлагаемых принципов формализации объектов ПО комплекса ал горитмов для управления процессами поиска решения в интеллектуальной имитационной модели Организация квазипараллелизма процессов, протекающих в интеллектуальной имитационной мо дели в сочетании с выводом на знаниях.
Разработка исследовательского прототипа интеллектуальной имитационной модели дл: проверки эффективности предложенного метода формального описания типовой ПО. Применит: исследовательский прототип для решения тестовой задачи с использованием реальных произвол стенных данных.
Методы исследования. Теоретические исследования основываются на методологии сие темного анализа и имитационного моделирования, методологии экспертных систем и метода; представления знаний в системах искусственного интеллекта, теории конечных автоматов, теорш принятия решений и теории графов. В работе использовался вычислительный эксперимент.
Для разработки исследовательского прототипа и решения тестовой задачи использоваяисі язык программирования C++ и инструментальные средства, реализующие объектно - ориентиро ванную парадигму - C++ Builder. Для хранения собранной производственной информации и тесто вых данных использовался SQL - сервер InterBase.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
Разработан способ организации экспертных знаний в виде системы продукционных пра вил на основе прецедентов поведения объекта при возникновении особой ситуации процесса об служивания. Он позволяет выделять прецеденты поведения объектов ПО в особых ситуациях про цессов обслуживания и описывать трудно формализуемые экспертные процедуры реагирования ні эти особые ситуации. Такой способ максимально приближает организацию экспертных знаний і ИМ к их реальной организации в предметной области. Это позволяет значительно повысить эф фективность процесса разработки интеллектуальной ИМ и качество получаемых результатов.
Разработана формальная схема - Интеллектуальное Устройство Обслуживания (ИУ) предназначенная для описания в интеллектуальной ИМ тех объектов ПО, которые выполняют раз нообразные потоковые операции. Схема интегрирует взаимосвязанные элементы структур дис кретно - детерминированных математических схем и систему продукционных правил. Даннаї формальная схема позволяет отображать ц интеллектуальной ИМ функционирование объекта ПО, учитывая объектную направленность и функциональное содержание проводимых операций.
Разработана формальная схема, получившая название - Интеллектуальная Схема ООслу живаиии, которая является комплексным формализованным описанием всех категорий объектов выделяемых в ПО. Она интегрирует способ представления экспертных знаний для отражени: трудно формализуемых процедур управления объектами ПО и общую формальную схему прово димых процессов обслуживания вне зависимости. Появилась возможность проводить более пол ную формализацию типовой предметной области и использовать созданное формальное описанні в разработке реальных интеллектуальных ИМ сложных производственных систем, в том числе дл; работающих при сильных внешних возмущениях, а так же проводить исследование ПО парал дельно на всех этапах разработки интеллектуальных ИМ.
Разработаны алгоритмы, реализующие основные принципы организации интеллектуаль-іьіх ИМ на базе предлагаемого метода формального описания ПО. Они позволяют организовать травление параллелизмом протекающих в интеллектуальной ИМ процессов в сочетании с выво-(ом на системах продукционных правил.
Разработан исследовательский прототип интеллектуальной имитационной модели процес-:а производства холоднокатаной нержавеющей ленты, решающий задачу краткосрочного прогно-ирования загрузки оборудования и выхода годного в условиях нестабильной поставки металла.
Практическая значимості, диссертации заключается в том, что разработанный метод фор-іализации типовых ПО в виде комплекса взаимосвязанных формальных схем может применяться ля создания интеллектуальных ИМ в ПО, имеющих отношение не только к металлургическому іроизводству, но и к другим отраслям и сферам деятельности. Он позволяет проводить накопле-ие экспертных знаний, касающихся сложных моментов управления объектами в конкретных ПО. 4етод дает возможность проводить исследования процессов, протекающих в типовых ПО, на всех тапах решения задачи. Задачи, которые могут решаться с применением интеллектуальных ИМ атрагивают широкий спектр задач оперативного и ситуационного управления и прогнозирования, азработанные формальные схемы и алгоритмы позволяют значительно снизить затраты времен-ых и материальных ресурсов на разработку, внедрение и эксплуатацию соответствующих про-раммных средств и повысить достоверность получаемых результатов и, как следствие, повысить ачество принимаемых решений по управлению производственными системами.
На защиту выносятся следующие основные результаты.
Метод формального описания сложных производственных систем дискретного типа. Он редставляет собой комплекс взаимосвязанных формальных схем и сочетает: формальную схему зъектов типовой ПО, выполняющих процессы потокового обслуживания разной объектной на-равленности и функционального содержания; способ организации экспертных знаний в виде «темы продукционных правил, образованной по прецедентному принципу; формальную схему зганизации экспертных знаний управления разными группами объектов ПО; формализованное тисание классов объектов обработки, которые участвуют в процессах обслуживания; общую ормальмую схему типовой предметной области, которая интегрирует способы представления хпертных знаний и формализованное описание объектов, определяющих функционирование ПО.
Комплекс основных алгоритмов для синтеза интеллектуальных имитационных моделей и юведсния моделирования па основе разработанного метода формального описания.
Апробация пзботы.
По теме диссертационной работы был сделан доклад на 12-ой Международной научной кон-;ренции "Математические методы в технике и технологиях", проходившей в г. Великий Новго-ід в 1999 г.
Основные положения и результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедры ин-:нерной кибернетики, на объединенных научных семинарах с участием представителей метал-ргических предприятий (ОАО "ММЗ Серп и Молот"), а так же на научных конференциях сту-нтов и молодых ученых МИСиС.
Публикации. По теме работы опубликованы четыре статьи и тезисы доклада.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 81 наименование и двух приложений. Основной ма териал изложен на 153 страницах, включает в том числе 21 рисунок и 6 таблиц.