ZASTOSOWANIE METODY CBR DO WSPOMAGANIA PROCESU PROJEKTOWANIA MASZYN

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN X 37, s , Gliwice 2009 ZASTOSOWANIE METODY CBR DO WSPOMAGANIA PROCESU PROJEKTOWANIA MASZYN PIOTR OCIEPKA, JERZY ŚWIDER Istytut Automatyzaci Procesów Techologiczych i Zitegrowaych Systemów Wytwarzaia, Politechia Śląsa piotr.ociepa@polsl.pl, erzy.swider@polsl.pl Streszczeie. W pracy zaprezetowao ocepcę systemu omputerowego, bazuącego a wiedzy i doświadczeiu proetowym pozysaym od iżyierów, do wspomagaia procesu proetowaia maszy. Do wspomagaia tego procesu zaimplemetowao metodę CBR (Case Based Reasoig). Przedstawioo sformalizoway opis działaia oraz poazao struturę i sposób fucoowaia utworzoego programu.. WSTĘP Dyamiczy rozwó techii omputerowe, metod obliczeiowych oraz metod sztucze iteligeci umożliwia budowę iteligetych apliaci CAD, wspomagaących iżyiera w podemowaiu decyzi proetowo - ostrucyych [2, 3, 4, 5, 6, 8, 9]. Prowadzoe są próby pozysiwaia i gromadzeia specalistycze wiedzy proetowe oraz doświadczeia, tworzeia a ich bazie dedyowaych programów wspomagaących proces proetowoostrucyy oraz itegrowaia ich z iymi środami i arzędziami lasy CAD. Obecie dużą rolę we wspomagaiu prac iżyiersich odgrywaą systemy doradcze oraz systemy bazuące a metodzie CBR. W przypadu złożoych problemów proetowych stosowae są apliace oparte a architeturze tablicowe, apliace wyorzystuące tzw. iteligetych agetów, czy systemy hybrydowe łączące zalety ilu metod sztucze iteligeci. W artyule zaprezetowao przyład tworzeia systemu omputerowego SWPK_CBR, bazuącego a wiedzy i doświadczeiu proetowym, do wspomagaia procesu proetowaia maszy. 2. METODA CBR CBR est metodą rozwiązywaia problemów polegaącą a poszuiwaiu aalogii (podobieństwa) pomiędzy zaistiałą sytuacą (problemem proetowym) a wcześieszymi przypadami, tóre odpowiedio opisae sładowae są w bazach daych. Oprogramowaie, tóre rozwiązue problemy a podstawie te metody, musi zostać wyposażoe w mechaizmy pozysiwaia i przetwarzaia wiedzy i doświadczeia oraz w mechaizmy efetywego przeszuiwaia baz daych oraz wyzaczaia podobieństwa pomiędzy atualą sytuacą a sładowaymi w bazie CBR przypadami.

2 28 P. OCIEPKA, J. ŚWIDER Nowy Zadź (Retrieval) Nauczoy Wyszuay (zalezioy) Zapisz (Retaimet) Sładowae przypadi Zastosu (Reuse) Testoway Rozwiązay Zweryfiu (Revisio) Rys.. Przebieg procesu rozwiązywaia problemów za pomocą techii CBR [, 8] Ideę działaia metody CBR moża przedstawi ao cyl działań zwaych pętlą 4R (rys. ). Pierwszym etapem tego cylu est aaliza rozpatrywaego zagadieia oraz wyodrębieie daych weściowych, potrzebych do wyzaczeia wzaemego podobieństwa pomiędzy przypadami. Koley ro (z ag. Retrieval), to wyszuiwaie abardzie zbliżoego problemu spośród zbioru problemów zgromadzoych w bazie przypadów (z ag. Case Base). W oleym etapie tego cylu abardzie zbliżoy problemowo ieroway est do poowego zastosowaia (z ag. Reuse). Następy ro to weryfiaca i adaptowaie pozysaego rozwiązaia do zaistiałe i aalizowae sytuaci (z ag. Revisio). Ostatim etapem tego cylu est proces uczeia (z ag. Retaimet), czyli zapisaie owego rozwiązaia w bazie (Case Base). Do podstawowych zalet metody CBR ależy zaliczyć usprawieie procesu pozysiwaia i sładowaia wiedzy i doświadczeia. Proces te przebiega iemal rówolegle z tworzoym rozwiązaiem proetowym. Wypracowae rozwiązaie proetowe est opisywae i zapisywae w bazie przypadów w momecie, iedy wiedza a temat tego rozwiązaia est apełiesza (p. w momecie realizaci, czy uończeia proetu). 3. ZAKRES DZIAŁANIA SYSTEMU Proces ocypowaia est iteletualym procesem twórczym, tórego przebieg a i rezultaty w bardzo dużym stopiu zależą od taletu, wyobraźi, zdolości oarzeia i iweci twórcze proetata. Oprócz tych aturalych, często wrodzoych czyiów, a aość tworzoych ocepci wpływaą taże arzędzia iformatycze, tóre umieętie zastosowae zaczie przyspieszaą i ułatwiaą działaia iżyiersie. Zasade więc est poszuiwaie efetywych metod iformatyczych, wspomagaących realizowaie działań a etapie tworzeia ocepci. System omputerowy, zbudoway a podstawie omawiae metody, może wspomagać astępuące działaia proetowe [7]: poszuiwaie strutur fuci sładowych, spełiaących założeia proetowe, poszuiwaie rozwiązań proetowych spełiaących fuce ogólą,

3 ZASTOSOWANIE METODY CBR DO WSPOMAGANIA PROCESU PROJEKTOWANIA 29 poszuiwaie rozwiązań proetowych spełiaących poszczególe fuce sładowe, ombiowaie rozwiązań cząstowych w celu spełieia fuci ogóle, wartościowaie wariatów w celu oreśleia tzw. ocepci wyiowe, tóra będzie rozwiaa i opracowywaa w dalszych fazach procesu proetowo ostrucyego. 4. OPIS MODELU STRUKTURY FUNKCJI SKŁADOWYCH Działaie prezetowaego systemu bazue a obietowym modelu strutury fuci sładowych, tóry pozwala tworzyć dowolie złożoą struturę fuci sładowych wytworu, a bazie tóre powstaą ocepce proetowe. Opis modelu dowole strutury moża przedstawić astępuąco: Day est obietowy model strutury fuci sładowych MF, sładaący się z obietów fucyych fo i proetowego. m, tóry reprezetue struturę fucyą rozpatrywaego zadaia MF = {fo,, 2,..., m } () fo obiet lasy fuca ogóla, obiet lasy fuca sładowa, wchodzący w sład strutury fuci sładowych m rozpatrywaego zadaia proetowego, m liczba obietów lasy fuca sładowa występuących w rozpatrywae struturze fuci sładowych. Opis strutury fuci sładowych taiego modelu ma astępuącą postać: ={D, m ={D m, WE,x ( m x WE, ( WY,x ( ), ), WY m, x ( ), ), } } (2) Działaie Opis weść Opis wyść Fuca adrzęda m ={D m, m x WE, ( ), m x WY, ( ), } (3) D m działaie fuci sładowe m, WE m, x weście typu x, fuci sładowe m z poziomu strutury fuci sładowych,, umery fuci, z tórych wyście/weście stae się weściem/wyściem dae fuci sładowe, fuca sładowa, adrzęda do dae fuci sładowe, z poziomu, m liczba fuci sładowych w struturze,

4 220 P. OCIEPKA, J. ŚWIDER x {E,S,M} typ weścia i wyścia dae fuci sładowe, E weście/wyście eergetycze, S weście/wyście sygałowe, M weście/wyście masowe. W przypadu, gdy WE,x est weściem główym do strutury fuci sładowych, to przymue wartość I x. Jeżeli WY,x est wyściem główym ze strutury fuci sładowych przymue wartość O x. W przypadu, iedy rozpatrywaa fuca sładowa ie posiada fuci adrzęde (=), to przymue wartość SFORMALIZOWANY OPIS DZIAŁANIA SYSTEMU SWPK_CBR Day est opis zadaia (podzadaia) proetowego, M_case, w tórym użytowi oreśla atualą sytuacę proetową. M_case = { WA,w, WA 2,w 2,... WA,w } (4) WA wartość atrybutu opisuącego sytuacę proetową, w waga atrybutu opisuącego sytuacę proetową. Użytowi FO Level_Str Dae weściowe CBR Moduł wiosowaia CBR C, C,2 C, C2, C2,2 C2, C3, C3,2 C3, C4, C4,2 C4, Level_Fs Rozwiązaia zewętrze Baza CBR Case 2 Case K Case K2 Level_Fo Case Case 3 RZ Kocepca Baza robocza Moduł do ocey wariatów Baza ryteriów Rys. 2. Sposób fucoowaia systemu SWPK_CBR

5 ZASTOSOWANIE METODY CBR DO WSPOMAGANIA PROCESU PROJEKTOWANIA 22 W bazie przypadów zapisay est zbiór przypadów proetowych Cases, tóry zawiera strutury fuci sładowych, ocepce oraz orete rozwiązaia proetowe powstałe podczas procesów proetowo ostrucyych realizowaych w przeszłości. Cases = { case [SP, OP, GRP ],... case i [SP i, OP i, GRP i ] } (5) case i [SP i, OP i, GRP i ] proetowy i, SP i sytuaca proetowa przypadu i, OP i opis przypadu proetowego i, GRP i graficza reprezetaca przypadu proetowego i. Na podstawie wartości poszczególych atrybutów i wag zapisaych w opisie M_case mechaizm obliczeiowy CBR zgodie ze wzorami (6) i (7) wyzacza stopień podobieństwa pomiędzy opisem zadaia M_case, a przypadami zapisaymi w bazie. Sim( case (C ), case 2 (C m )) = Dist(case (C ), case 2 (C m )) (6) = case i wartość atrybutu w odiesieiu do przypadu i, liczba odpowiadaących sobie atrybutów, w współczyi wagowy atrybutu w rozpatrywaym przypadu. [ ] Dist(case (C ), case 2 (C m )) = 2 2 w case ( C ) case ( C ) m 2 2 (7) W zależości od fazy procesu proetowaia użytowi za pomocą mechaizmu wiosowaia CBR może pozysiwać (rys. 2): rozwiązaia a poziomie strutury fuci sładowe, rozwiązaia realizuące przyętą fucę ogólą, rozwiązaia realizuące wyodrębioe w struturze fuce sładowe. Następie geeroway est zbiór przypadów o wymagaym stopiu podobieństwa Cases s. Cases s ={ case [SP, OP, GRP ],... case [SP, OP, GRP ] } s (8) W oleym rou system sortue wybrae rozwiązaia według stopia podobieństwa i tworzy uporządoway zbiór przypadów Cases u. Cases u = < case [SP, OP, GRP ],... case [SP, OP, GRP ] > (9) Uporządoway zbiór Cases u = <...> staowi zbiór ocepci o wymagaym stopiu podobieństwa, tóre mogą zostać zaadaptowae lub bezpośredio zastosowae do rozwiązaia atualie rozpatrywaego zadaia proetowaego.

6 222 P. OCIEPKA, J. ŚWIDER 6. WARTOŚCIOWANIE WARIANTÓW KONCEPCJI Sposób wartościowaia wariatów ocepci w zastosowae metodzie przebiega astępuąco. W pierwszym rou wybiera się z bazy ryteria K i, względem tórych oceiae będą wariaty. K=(K, K 2 K i ) (0) K zbiór ryteriów ocey wariatów, K i ryterium i ocey wariatów. Jeśli w bazie ie ma odpowiedich ryteriów, wprowadza się za pomocą edytora włase dowole ryteria ocey. Następie dla wybraych ryteriów ocey ustala się współczyii wagowe, tóre oreślaą, w aim stopiu dae ryterium będzie wpływało (ważyło) a oceę wariatu. W tym celu ależy wypełić tablicę, w tóre porówue się wagę ażdego z ryteriów względem iych (rys. 3). X K K 2... K i g i Wr Wr 2... Wr Wr id K X w,2... w,i g w, w 2,... w, w max K 2 w 2, X... w 2,i g 2 w,2 w 2,2... w, w max X K i w i, w i,2... X g i w,i w 2,i... w,i w max Gw Gw Gw 2... Gw Gw max W W W 2... W Gw g Gw g Gw g2... Gw g Gw gma Wg Wg Wg 2... Wg Rys. 3. Ocea wieloryteriala wariatów ocepci [6] Waga cząstowa w oreśla, tóre z dwóch porówywaych ryteriów est ważiesze przy oceie daych wariatów ocepci. W opracowae metodzie założoo, że wagi cząstowe przymuą wartości ze zbioru liczb {, 0.75, 0.5, 0.25, 0}. Współczyi wagowy g i dla ryterium i rówy est sumie wag cząstowych uzysaych z porówaia ryterium i z pozostałymi ryteriami. Po oreśleiu współczyiów wagowych g i oceia się wariaty względem obraych ryteriów (rys. 3). Po wprowadzeiu poszczególych oce cząstowych w i mechaizm obliczeiowy wyzacza wartości i ceości poszczególych wariatów ocepci [6]. Gw = w i () x Gw g = gi wi (2)

7 ZASTOSOWANIE METODY CBR DO WSPOMAGANIA PROCESU PROJEKTOWANIA 223 W wi Gw = = wmax wmax (3) Wg = w Gwg max g i = w max g w i i g i (4) w i ocea wariatu względem ryterium i, w max masymala ocea, aą może otrzymać wariat, g i współczyi wagowy ryterium i, liczba oceiaych wariatów, Gw wartość ieważoa wariatu ocepci, Gwg wartość ważoa wariatu ocepci, W ceość ieważoa wariatu ocepci, Wg ceość ważoa wariatu ocepci. W propoowae metodzie wprowadzoo taże możliwość agregaci oce pozysaych od wielu espertów oceiaących. Espertom moża przypisać współczyii wagowe g o, tóre oreślaą (priorytet) wpływ ocey daego esperta a ońcową oceę W A wariatu. Ceość agregowaą wariatu moża wyzaczyć, orzystaąc z zależości: A = le oi le W Wg i ceość ważoa wariatu, esperta oceiaącego i, g oi współczyi wagowy esperta oceiaącego i, l e liczba espertów oceiaących wariaty. W g g oi g i (5) Na podstawie uzysaych oce użytowi (proetat) może zadecydować, tóry wariat (wariaty) ocepci będzie podstawą do realizaci oleych fazach procesu proetowo ostrucyego. Moduł ocey wariatów może być taże stosoway p. do wartościowaia rozwiązań realizaci poszczególych fuci sładowych w przypadu, gdy uzysae pole możliwych rozwiązań dae fuci est a tyle licze, że oiecza est wstępa ocea elimiuąca mie przydate rozwiązaia. 7. WNIOSKI W artyule omówioo możliwości zastosowaia metody CBR do wspomagaia proetowaia maszy. Przedstawioo metodę, tóra została zastosowaa do budowy systemu SWPK_CBR wspomagaącego proetowaie.

8 224 P. OCIEPKA, J. ŚWIDER Zastosowaie opracowae metody w procesie proetowaia zdecydowaie poszerza spetrum rozwiązań proetowych, tóre rozpatrywae i aalizowae są przez proetata oraz sraca czas powstawaia ocepci. Metoda ta może być stosowaa do wspomagaia proetowaia iowacyego i rutyowego dowole grupy maszy. Będzie oa taże przydata do wspomagaia proetowaia modułowego, podczas tórego bazue się a ustaloym systemie, a proces proetowo ostrucyy sprowadza się do doboru odpowiedich modułów realizuących oreśloe relace przeształceń. LITERATURA. Aamodt A., Plaza E.: Case-Base Reasoig: Foudatioal Issues, Methodological Variatios ad System Approaches. AICom Artificial Itelligece Commuicatios, IOS Press, Vol. 7:, 994, p Ociepa P.: Kocepca systemu bazuącego a wiedzy do wspomagaia proetowaia ocepcyego maszy. W: XIII ofereca Metody i środi proetowaia wspomagaego omputerowo. Warszawa 200, s Ociepa P.: Metoda omputerowego wspomagaia proetowaia ocepcyego maszy. Praca dotorsa. Gliwice Ociepa P., Świder J.: Obect-Orieted System for Computer Aidig of the Machies Coceptual Desig Process. Joural of Materials Processig Techology 2004, p Ociepa P., Świder J.: Współczese systemy doradcze do wspomagaia proetowaia maszy Moografia. Gliwice : WPŚ, Świder J., Baier A., Ociepa P., Herbuś K.: Zastosowaie metod obietowych w procesie proetowo ostrucyo wytwórczym. W: 3 rd Scietific Coferece o Materials Mechaical ad Maufacturig Egieerig. Gliwice 2005, s Pahl G., Beitz W.: Naua ostruowaia. Warszawa : WNT, Poosi J. : Applicatio of Case Based Reasoig i Machie Desig. W: Materiały oferecye AI-MECH 200 Methods of Artificial Itelligece i Mechaics ad Mechaical Egieerig. Gliwice 200, p Świder J., Ociepa P.: Obietowy system SWPK omputerowego wspomagaia procesu ocepcyego proetowaia maszy. W: Iteratioal Scietific Coferece Achievemets i Materials Egieerig, Gliwice Zaopae 2002, p APPLICATION OF CBR METHOD TO AID MACHINE DESIGN Summary. The scope of the paper is the presetatio of the cocept of applyig a computer system based o owledge ad desig experiece ito machie desig aidig. The Case Based Reasoig (CBR) method is implemeted to assist the desig process. A formalized descriptio of the software ad its structure are give.