книги / Системы автоматизированного проектирования технологических процессов

указанием использованных фрагментов базы знаний, т.е. всех шагов цепи умозаключений.

Интеллектуальный редактор БЗ - программа, представляющая инже­ неру по знаниям возможность создавать базу знаний в диалоговом режиме. Включает в себя систему вложенных меню, шаблонов языка представления знаний, подсказок и других сервисных средств, облегчающих работу с базой.

Интерфейс пользователя - комплекс программ, реализующих диалог пользователя с ЭС как на стадии ввода информации, так и при получении ре­ зультатов.

В создании ЭС участвуют инженер по знаниям, эксперт, программист и пользователь. Процесс разработки ЭС можно разделить на четыре этапа:

1.Разработка прототипа ЭС.

2.Развитие прототипа до промышленной ЭС.

3.Оценка ЭС.

4.Стыковка ЭС.

Прототнпная система. Это усеченная версия ЭС, спроектированной для проверки правильности кодирования фактов, связей и стратегий рассуж­ дения эксперта. Она также дает возможность инженеру по знаниям привлечь эксперта к активному участию в процессе разработки ЭС. Объем прототипа - несколько десятков правил, примеров. В разработке прототипа выделяются шесть стадий:

-идентификация проблемы;

-извлечение знаний;

-структурирование знаний;

-формализация знаний;

-реализация;

-тестирование.

Идентификаиия проблемы - создание неформальной формулировки проблемы, а также знакомство и обучение членов коллектива разработчиков. Уточняется задача, планируется ход разработки прототипа ЭС, определяют­ ся необходимые ресурсы (время, люди, ЭВМ и т. д.), имеющиеся аналогич­ ные ЭС, цели (распространение опыта, автоматизация рутинных действий, накопление знаний и др.), классы решаемых задач.

Извлечение знаний - получение инженером по знаниям наиболее пол­ ного представления о предметной области и способах принятия решения в ней. На этой стадии происходит перенос компетентности от эксперта к ин­ женеру по знаниям с использованием методов: анализа литературы, диало­ гов, экспертных игр, лекций, интервью, наблюдения.

Структурирование, или кониептуализаиия знаний. - разработка не­ формального описания знаний в виде графа, таблицы, диаграммы или текста, которое отражает основные концепции и взаимосвязи между понятиями. Вы­ является структура полученных знаний, т.е. определяются: терминология, список основных понятий, отношения между понятиями, структура входной и выходной информации, стратегия принятия решений.

Формализация знаний - разработка базы знаний на языке представле-

14)

ния знаний, который, с одной стороны, соответствует созданной структуре знаний, а с другой - позволяет реализовать прототип на следующей стадии программной реализации. При формализации строится представление кон­ цепций предметной области на основе выбранного языка. Традиционно ис­ пользуются: логические методы (исчисления предикатов 1-го порядка и др.); продукционные модели (с прямым и обратным выводом); семантические се­ ти; фреймы; объектно-ориентированные языки, основанные на иерархии классов, объектов. Все чаще на этой стадии используется комбинация этих методов.

Реализаиия - разработка программного комплекса, демонстрирующего жизнеспособность подхода в целом. Создается прототип, включающий в себя базу знаний и остальные блоки, при помощи одного из следующих способов: программирования на прадиционных языках типа Packal, и др.; програм­ мирования на специализированных языках, применяемых в задачах искусст­ венного интеллекта; использования инструментальных средств разработки ЭС и «пустых» ЭС или «оболочек» типа ЭКСПЕРТ.

Тестирование - выявление ошибок в подходе и реализации прототипа и выработка рекомендаций по доводке системы до промышленного варианта. Прототип проверяется на: удобство и адекватность интерфейсов ввода/вывода; эффективность стратегии управления (порядок перебора, исполь­ зование нечеткого вывода); качество проверочных примеров; корректность базы знаний (полнота и непротиворечивость правил).

Развитие прототипа до промышленной ЭС. Основная работа на дан­ ном этапе заключается в расширении базы знаний, т.е. в добавлении большо­ го числа дополнительных правил, фреймов или других элементов знаний. В то же время можно включить правила дополнительных подзадач.

Оценка системы. Для такой оценки используются последующие груп­ пы критериев:

-критерии пользователей (понятность и «прозрачность» работы сис­ темы, удобство интерфейсов и др.);

-критерии приглашенных экспертов (оценка советов-решений, срав­ нение решений с собственными, оценка подсистемы объяснений);

-критерии коллектива разработчиков (эффективность реализации производительность, время отклика, дизайн, широта охвата предметной об­ ласти, количество тупиковых ситуаций и т.п.).

Стыковка системы. На этом этапе осуществляется стыковка ЭС с другими программными средствами в среде, в которой она будет работать. Иногда это означает внесение существенных изменений. Стыковка включает обеспечение связи ЭС с существующими базами данных и другими система­ ми на предприятии.

Среди рассмотренных задач разработки ЭС формализация знаний явля­ ется одной из наиболее важных, характерных для систем, основанных на зна­ ниях. Это объясняется тем, что язык (или модель) представления знаний ока­ зывает существенное влияние на характеристики и свойства системы. Остано­ вимся подробнее на моделях представления знаний.

142

5.11. Моделн представления знаний

Существуют десятки моделей (или языков) представления знаний для различных предметных областей. Большинство из них может быть сведено к следующим классам:

-продукционные модели;

-семантические сети; фреймы.

Продукционная модель, или модель, основанная на правилах. Эта модель позволяет представить знания в виде предложений типа «Если (усло­ вие), то (действие)».

Под «условием» понимается некоторое предложение-образец, по кото­ рому осуществляется поиск в базе знаний, а под «действием» - действия, вы­ полняемые при успешном исходе поиска (они могут быть промежуточными, выступающими далее как условия, и терминальными, или целевыми, завер­ шающими работу системы).

Чаще всего вывод на такой базе знаний бывает прямой (от данных к поиску цели) или обратный (от цели для ее подтверждения к данным). Дан­ ные - это исходные факты, хранящиеся в базе фактов, на основании которых запускается машина вывода или интерпретатор правил, перебирающий пра­ вила из продукционной базы знаний.

Продукционная модель чаще всего применяется в промышленных экс­ пертных системах. Она привлекает разработчиков своей наглядностью, вы­ сокой модульностью, легкостью внесения дополнений и изменений и просто­ той механизма логического вывода.

Семантические сети. Термин семантическая означает «смысловая», а сама семантика - это наука, устанавливающая отношения между символами и объектами, которые они обозначают, то есть наука, определяющая смысл знаков.

Семантическая сеть - это ориентированный граф, вершины которого - понятия, а дуги - отношения между ними.

В качестве понятий обычно выступают абстрактные или конкретные объекты, а отношения - это связи типа: «это» («АКО А-Kind-Of», «is»), «имеет частью» («has part»), «принадлежит».

Наиболее важны связи типа «это», они позволяют встроить в сеть ие­ рархию понятий, в которой вершины низких уровней наследуют свойства вершин более высоких уровней. Например, «токарный станок» наследует та­ кие признаки вершины «станок», как наличие станины, режущего инстру­ мента, приспособления, органов управления и т.д.

Можно предложить несколько классификаций семантических сетей, связанных с типами отношений между понятиями:

по количеству типов отношений:

-однородные (с единственным типом отношений);

-неоднородные (с различными типами отношений);

по типам отношений:

-бинарные (в которых отношения связывают два объекта);

-Агарные (в которых есть специальные отношения, связывающие бо­

лее двух понятий).

Наиболее часто в семантических сетях используются следующие от­ ношения:

-связи типа «часть-целое» («класс-подкласс», «элемент-множество»,

ит. п.);

-функциональные связи (определяемые обычно глаголами «произво­ дит», «влияет»...);

-количественные (больше, меньше, равно...);

-пространственные (далеко от, близко от, за, под, над...);

-временные (раньше, позже, в течение...);

-атрибутивные (иметь свойство, иметь значение);

-логические (И, ИЛИ, НЕ);

-лингвистические и др.

Проблема поиска решения в базе знаний типа семантической сети сво­ дится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего некоторой подсети, отражающей поставленный запрос к базе.

Данная модель представления знаний была предложена американским психологом Куиллианом. Основным ее преимуществом является то, что она более других соответствует современным представлениям об организации долговременной памяти человека.

Недостатком этой модели является сложность организации процедуры поиска вывода на семантической сети.

Фреймы. Термин «фрейм» (от английского frame, что означает «кар­ кас» или «рамка») был предложен Марвином Минским, одним из пионеров ИИ, в 70-е годы для обозначения структуры знаний и восприятия простран­ ственных сцен. Эта модель, как и семантическая сеть, имеет глубокое психо­ логическое обоснование.

Фрейм - это абстрактный образ для представления некоего стереотипа восприятия.

Впсихологии и философии известно понятие абстрактного образа. На­ пример, произнесение вслух слова «комната» порождает у слушающих образ комнаты: «жилое помещение с четырьмя стенами, полом, потолком, окнами

идверью, площадью 6-20 м2». Из этого описания ничего нельзя убрать (на­ пример, убрав окна, мы получим уже чулан, а не комнату), но в нем есть «дырки», или «слоты», - это незаполненные значения некоторых атрибутов, например, количество окон, цвет стен, высота потолка, покрытие пола и др.

Втеории фреймов такой образ комнаты называется фреймом комнаты. Фреймом также называется и формализованная модель для отображения об­ раза.

Различают фреймы-образцы, или прототипы, хранящиеся в базе знаний,

и фреймы-экземпляры, которые создаются для отображения реальных фак­ тических ситуаций на основе поступающих данных. Модель фрейма является достаточно универсальной, поскольку позволяв! отобразить все многообра­ зие знаний о мире через:

-фреймы-структуры, использующиеся для обозначения объектов и понятий (станок, переход);

-фреймы-роли (менеджер, кассир, клиент);

-фреймы-сценарии (банкротство, собрание акционеров);

-фреймы-ситуации (тревога, авария, рабочий режим устройства) и др. Традиционно структура фрейма может быть представлена как список

свойств:

(ИМЯ ФРЕЙМА:

(имя 1-го слота: значение 1-го слота), (имя 2-го слота: значение 2-го слота),

(имя N-ro слота: значение N-ro слота)).

Ту же запись можно представить в виде таблицы, дополнив ее двумя столб­ цами.

		Структура фрейма		Таблица 5.1
			Имя фрейма	Присоединенная про­
	Имя слота	Значение слота	Способ получения
			значения	цедура

В табл. 5.1 дополнительные столбцы предназначены для описания спо­ соба получения слотом его значения и возможного присоединения к тому или иному слоту специальных процедур, что допускается в теории фреймов. В качестве значения слота может выступать имя другого фрейма, так обра­ зуются сети фреймов.

Существует несколько способов получения слотом значений во фрей­ ме-экземпляре:

-по умолчанию от фрейма-образца (Default-значение);

-через наследование свойств от фрейма, указанного в слоте АКО;

-по формуле, указанной в слоте;

-через присоединенную процедуру;

-явно из диалога с пользователем;

-из базы данных.

Важнейшим свойством теории фреймов является заимствование из тео­ рии семантических сетей - так называемое наследование свойств. И во фреймах, и в семантических сетях наследование происходит по АКО-связям

(A-Kind-Of = это). Слот АКО указывает на фрейм более высокого уровня ие­ рархии, откуда неявно наследуются, то есть переносятся, значения аналогич­ ных слотов.

Основным преимуществом фрейма как модели представления знаний является то, что он отражает концептуальную основу организации памяти человека, а также ее наглядность.

Наиболее удобный инструмент представления инженерных знаний в ЭС первого поколения - таблицы решений - используют фреймы (комплекс­ ные таблицы) и системы продукций (таблицы решений с ограниченными и расширенными входами).

5.12. Язык таблиц решений

Таблицы решений (ТР) зарекомендовали себя как удобное средство, по­ зволяющее четко, быстро и просто описывать сложные ситуации. Впервые язык программирования, основанный на таблицах решений, был предложен в 1964 году Л. А. Ломбарди.

Перечислим преимущества использования ТР:

-компактная, обозримая форма анализа задачи;

-единое (вместо последовательного) описание задачи;

-легкая изучаемость;

-требуемая ясность представления задачи, позволяющая легко уста­ новить, где отсутствует информация;

-простые возможности контроля полноты и содержательной кор­ ректности;

-возможность внесения изменений и добавлений в базу знаний спе­ циалистами предметной области без привлечения программистов.

Для технологического проектирования используются три типа ТР:

-комплексные таблицы (КТ);

-таблицы решений с ограниченными входами;

-таблицы решений с расширенными входами.

Комплексная таблица (КТ) решений представляет собой описание конкретного события, объекта, процесса, в котором всем элементам соответ­ ствуют определенные значения. Комплексные таблицы служат для той же цели, что и фреймы, описанные выше, и имеют следующие достоинства: ес­ тественность, наглядность представления, модульность. КТ состоит из по­ именованных элементов - разделов, характеризующих объект, и в этих раз­ делах могут использоваться арифметические выражения типа «DH = = (ТПС) D.K + 2х (ТР101)» для расчета значения переменных. Разделы могут быть также заполнены конкретными значениями данных. Кроме того, преду­ смотрен механизм ссылок на другие таблицы, что позволяет конструировать сложные структуры, т.е. реализовать связи между понятиями предметной об­ ласти.

Рассматриваемый нами вариант комплексной таблицы разработан для описания перехода операции механической обработки и состоит из 24 разде­ лов-столбцов и переменного количества строк. Структура таблицы имеет вид:

№ СП КОП УФ да	... ТВ САП ФКТ ФП	1-я строка
0.1	...	2-я строка
1	...	3-я строка
•••	...
N	...

Первая строка обязательна и состоит из названия разделов: № - номер перехода; СП - содержание перехода;

КОП - код обрабатываемой поверхности, он может задаваться явно (на­ пример, 21.0.0 или 11.11.0) или через переменную (К.0.0, К.6.0);

УФ - условие формализованное (условие выполнения строки); если ус­ ловное выражение в этом разделе истинно, то строка обрабатывается до кон­ ца, иначе строка не выполняется;

ПЯЛ- диаметр исполнительный; ТГМ - точность £>И; 1И - длина исполнительная; Т1И - точность 1И;

РИ - режущий инструмент; ВИ - вспомогательный инструмент;

ИИ - измерительный инструмент:

DP - диаметр расчетный (диаметр заготовки); IP - длина расчетная;

/- количество проходов;

Т- толщина снимаемого слоя;

S -подача;

V- скорость резания;

N - число оборотов шпинделя; ОВ - основное время; ВВ - вспомогательное время;

САП - вход в подсистему расчета фрагмента управляющей программы для этого перехода;

ФКТ - в этом разделе запоминаются (присваиваются) размеры, полу­ ченные в переходе для дальнейшего оперирования ими;

ФП - форма печати.

Некоторые разделы таблицы могут быть не заполнены.

Вторая строка (строка 0.1) может отсутствовать, если переход не явля­ ется первым в составе операции. Если это начальный переход, то в этой строке описывается информация, общая для всей операции: выбирается при­ способление, формируется «шапка» операционной карты, определяются зна­

чения переменных, используемых в последующих строках, если есть в этом необходимость.

Третья и каждая последующая строка заполняются согласно названиям столбцов и в совокупности представляют технологический переход.

В таблицах решений с ограниченными входами (ТРО) входные ус­ ловия принимают значения «да», «нет».

Каждая таблица состоит из заголовка (имя таблицы и комментарий к ее имени) и «тела» таблицы. «Тело» состоит из разделов, которые компонуются в зависимости от вида ГР.

ТРО подразделяются на следующие виды:

-условные;

-безусловные;

-циклические;

-комбинированные.

Условная ТРО включает в себя четыре основных раздела: 1. Список условий.

2 Правила выбора решений (действий) - столбцы правил, или ситуа­

ции.

3.Список решений.

4.Указатели порядка выполнения решений.

Кроме этих четырех разделов, могут быть приведены комментарии к каждому условию и решению (разделы 5 и 6). Таблицы, содержащие, кроме указанных, разделы 7 и 8, называются комбинированными: 7 - это безуслов­ ная часть, состоит из равенств (присвоений или действий), 8 - это коммента­ рий к равенствам. Кроме того, могут отсутствовать условия (безусловные I P), и ТР приобретает вид последовательного алгоритма с указанием дейст­ вий. С помощью ТРО также можно организовать циклы. Место располо­ жения разделов ТРО:

8		7
Комментарии		Присвоения
5	1	2
Комментарии	Условия	Правила
6	3	4
Комментарии	Решения	Последовательность решений

Приведем условный ТР092 по определению N - числа оборотов шпинделя при фрезеровании паза. Вход в эту таблицу осуществляется через строку комплексной таблицы в разделе N.

	ТР092	N фрезерования паза
Паз сегментный	(Т К С )Я О О		нет	нет	да
Паз продольный	(ТКС)Я>0		да	нет
D фрезы = ширине паза	/> = (ТКС)В		1	1
	D = (J K C )L
	D « (ТКС) R C m2				1
Расчетные У	N - 318,4 • У/D		2	2	2
Принятые по станку N	N я (TP1445)		3	3	3
Уточнение скорости V	V -N • />/318,4		4	4	4

В отличие от ТР с ограниченными входами, входы которых принимают значения «да» и «нет», ТР с расширенными входами имеют множество значений входных условий. В таблице может быть несколько входных усло­ вий (ТР194) или одно (ТР194А).

ТР194 Выбор шпоночных фрез для полуоткрытых пазов

(ТКС) ОМ.О.1 < -	(ТКС)Я< =
50	12		(ТР194А)
	50		(ТР194В)
164	12		(ТР194С)
	40		(TP194G)
	8		(TP194D)
231	12		(ТР194Е)
	40		(TP194Q)
277	12		(ТР194Х)
	40		(TP194Q)
		4
ИНАЧЕ	ИНАЧЕ		4

ТР194А Шпоночные фрезы быстрорежущие с цилиндри-

_____ ческим хвостовиком (ГОСТ 16225-81)______

(ТКС) £ > =
12	‘2220-0533*
10	‘2220-053 Г
8	‘2220-0527*
6	‘2220-0523*
5	*2220-0519’
4	‘2220-0515’
3	‘2220-0513’
2.8	‘2220-051Г
2,5	‘2220-0509’
V .	‘2220-0507’
2	‘2220-0505’
1,8	‘2220-0493’
1,5	*2220-0491 ’
ИНАЧЕ	4	’

Таблицы с расширенными входами составляют базу данных техноло­ гической системы с указанием параметра выбора. С их помощью организует­ ся выбор СТО, режимов обработки, уточнение чисел оборотов шпинделя и подачи применительно к конкретному оборудованию и т.д.

Вопросы к главе 5

1.Классификация функциональных задач ТПП.

2.Структурная схема АСТПП.

3.Организационная структура АСТПП.

4.Структура подсистемы проектирования ТП.

5.Параметрический метод автоматизированного проектирования ТП.

6.Чем отличаются методы автоматизированного проектирования на

основе аналога и унифицированных ТП?

7.Приведите последовательность задач автоматизированного проек­ тирования по методу синтеза.

8.Структура и этапы разработки экспертной системы.

9.Методы представления знаний в экспертных системах.

10.Понятие фрейма и комплексные таблицы решений.

11.Таблицы решений с ограниченными и расширенными входами.