TRANSCOMP INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Transkrypt

1 TRANSCOMP INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT Stanisław DUER 1 Konrad ZAJKOWSKI 1 Radosław DUER 2 proces obsługiwania, systemy ekspertowe, obsługowe bazy wiedzy, informaca diagnostyczna PRZEKSZTAŁCANIE INFORMACJI DIAGNOSTYCZNEJ DO POSTACI OPISU STRUKTURY OBSŁUGOWEJ OBIEKTU W artykule zawarto analityczne podstawy wyznaczania informaci obsługowe (obsługowe wiedzy ekspertowe organizuące system obsługiwania technicznego obiektu. Przedstawiono podstawy analityczne procesu odnawiania własności uŝytkowych obiektu obsługi. Przyęty w pracy model obsługiwania obiektu est transformacą informaci opisuące przestrzeń cech uŝytkowania (diagnostyczne obiektu do postaci nominalne przestrzeni cech uŝytkowania obiektu. Artykuł zawiera podstawy teoretyczne dotyczące przekształcania informaci diagnostyczne i wiedzy specalistyczne eksperta do postaci zbioru informaci obsługowe. DIAGNOSTIC INFORMATION TO TRANSFORM THE FORM OF BUILDING STRUCTURES MAINTENANCE Of A OBJECT The article presents the analytical basis for the determination of servicing information (servicing expert knowledge which organizes the system for the servicing of a technical obect. Analytical basis were presented of the process of restoration of the functional properties of the obect of servicing. The model of obect s servicing as accepted in the present paper constitutes a transformation of information which describes the space of the properties of the use (diagnostic space of an obect to the form of a nominal space of the functional properties of an obect. The article includes theoretical grounds concerning transformation of diagnostic information and specialist knowledge of an expert to the form of a set of servicing information. 1 Koszalin University of Technology, Department of Mechanical Engineering, Racławicka 15-17, Koszalin, Poland, stanislaw.duer@tu.koszalin.pl 2 Koszalin University of Technology, Department of Mechanical Engineering, Racławicka 15-17, Koszalin, tel ; konrad.zakowski@tu.koszalin.pl; 23 OTICON Polska Production Sp. z.o.o; ul. Lubieszyńska 59. Mierzyn, Szczecin; radoslaw.duer@wp.pl

2 798 Stanisław DUER, Konrad ZAJKOWSKI, Radosław DUER 1. WSTĘP Odtwarzanie własności uŝytkowych obiektów technicznych odbywa się poprzez wykonanie profilaktyki w systemie obsługiwania (rys. 1, poszukue się w tym względzie róŝnego typu rozwiązań [3-5, 9-10, 13]. Zbiór reguł obsługowych {R r (e } Obiekt do odnowy Podsystem diagnostyczny {W(ε(e } Struktura obsługowa obiektu{w(z(e } Ekspertowa baza wiedzy obsługowe {M E (e } Obiekt odnowiony Zbiór czynności profilaktycznych {A(e } Podsystem obsługiwania obiektu Rys.1. Schemat ekspertowego systemu obsługiwania obiektu technicznego Dlatego systemy ekspertowe znaduą zastosowanie między innymi w organizaci procesów obsługiwania złoŝonych obiektów technicznych [1-3, 6-8, 10-12, 14]. Istotnymi elementami systemu ekspertowego podsystemu obsługiwania są: podsystem diagnostyczny (rys. 1, który dostarcza wiarygodne informaci diagnostyczne o obiekcie {ε(e }; podsystem wiedzy ekspertowe (rys. 1 pozwalaący uzyskać wstępny zbiór informaci diagnostyczne (Tablica 1 będący podstawą do wyznaczenia struktury informaci obsługowe obiektu, zbiór reguł {R r } i zbiór czynności profilaktycznych {A(e }; struktura obsługowa obiektu {W z (e } est specalistycznym zbiorem informaci obsługowe obiektu, którą wyznaczaą elementy obsługowe obiektu wymagaące odnowienia; zbiór reguł obsługowych {R r }; zbiór czynności profilaktycznych {A(e }. Podstawą działania podsystemu obsługiwania est uzyskana baza wiedzy obsługowe. Baza wiedzy ekspertowe est specalistycznym zbiorem informaci obsługowe obiektu, którą wyznaczaą struktura obsługowa obiektu {W z (e }, zbiór reguł obsługowych {R r } oraz zbiór czynności profilaktycznych {A(e }. Efektem działania systemu obsługiwania est wyznaczenie zbioru informaci obsługowe {M E (e }na podstawie, które będzie zorganizowany raconalny system obsługiwania obiektu.

3 PRZEKSZTAŁCANIE INFORMACJI DIAGNOSTYCZNEJ WYZNACZANIE ZBIORU ELEMENTÓW STRUKTURY OBSŁUGOWEJ OBIEKTU TECHNICZNEGO W procesie przekształcania zbiorów informaci diagnostyczne (rys. 2 do wymagane postac którą moŝna wykorzystać w organizaci profilaktyki obiektu naleŝy zastosować odpowiednią e postać. Taką postacią informac wygodną na realizowane przekształcenia est postać wektorowa. Maąc zatem zbiór informaci zestawiony w postaci wektorowe, łatwo moŝna prześć na opis informaci zawieraący takŝe pełną treść reguł. Wektory wiedzy są wygodne równieŝ do weryfikaci poprawności zestawione bazy wiedzy. W wektorze wiedzy moŝna umieścić takŝe zestaw wszystkich pytań (warunków ak w regule złoŝone. Pierwotny zbiór informaci obsługowe wyznaczany w czasie diagnostycznego opracowania obiektu moŝe być przedstawiany w postaci zestawianego zbioru informaci diagnostyczne - zbioru wyników sprawdzeń [1-3. 8, 10]. W tym celu kaŝdemu wynikowi sprawdzenia przyporządkowue się rzeczywisty stan obiektu. Posługiwanie się w procesie przekształcania zbioru informaci obsługowe wymaganą e postacią, taką ak wynik sprawdzenia sygnału diagnostycznego, czy stan obiektu, są równoprawne. W procesie przekształcania duŝego zbioru informaci obsługowe (rys. 2, szczególnie z wykorzystaniem techniki komputerowe, wygodnie est posługiwać się zbiorem informaci zestawiane w postaci klas stanów obiektu. Klasie stanów, w akie znadue się obiekt i ego elementy przyporządkowano w pracy oznakowane stany wartościami ze zbioru {2, 1, 0}. Stąd w dalsze części pracy będą wykorzystywane zamiennie poęcia wartości oznakowanych stanów lub tylko stany oznakowane. Stan oznakowany - to elementarny stan z podzbioru dane klasy stanów, w którym znadue się obiekt i ego elementy. Elementom z podzbioru klas stanów przyporządkowano stany oznakowane wartościami ze zbioru {2, 1, 0}, zaleŝnie od rzeczywistego stanu obiektu. Sposób przyporządkowania stanom elementów podstawowych stanów oznakowanych wartościami przedstawiono graficznie w postaci algorytmu na (rys.. Tok postępowania est następuący kaŝde współrzędne wektora stanów -tego elementu podstawowego (µ przyporządkowana est w sposób ednoznaczny tylko edna wartość stanu oznakowanego ze zbioru < 2, 1, 0 >; w zaleŝności od stanu w akim znadue się obiekt i ego elementy konstrukcyne, przy czym stan oznakowany wartością: - 2 oznacza - stan zdatności -tego elementu; - 1 oznacza - stan niepełne zdatności -tego elementu; - 0 oznacza - stan niezdatności -tego elementu. KaŜdemu elementowi (r wzorcowe struktury obsługowe obiektu M(W, przyporządkowane są stany oznakowane wartościami ze zbioru < 2, >, gdzie: 2 - oznacza stan zdatności danego elementu podstawowego obiektu, natomiast, - est dopełnieniem wymiaru wzorcowe struktury obsługowe M(W. Maąc wyznaczony wektor wzorcowe struktury obsługowe systemu obsługiwania obiektu M(W oraz wektor pierwotnego zbioru informaci obsługowe moŝna przystąpić do dalszego przekształcania zbioru informaci obsługowe. W tym celu naleŝy porównać te wymienione dwa zbiory informaci obsługowych.

4 800 Stanisław DUER, Konrad ZAJKOWSKI, Radosław DUER START Wprowadzenie danych weściowych: [W(ε(e ]; [W(ε(2,1,0]; [Rε(,] Realizaca zaleŝności porównywania stanów elementów obiektu {W(ε(,} {W(ε(z} Czy porównać tablicę stanów elementów obiektu N T Uszczegółowienie tablicy stanów elementów porównawczych {W(ε(z} poprzez przypisanie {2} { } Czy realizować uszczegółowienie tablicy stanów N T Zestawienie tablicy stanów porównywania elementów obiektu w postaci tablicy {W(z(e } STOP Rys. 2. Schemat wyznaczania zbioru elementów struktury obsługowe obiektu do profilaktyki Porównanie ich w postaci wektorowe P(T i M(W, realizowane est według zaleŝności: [ M ( W ] [ M ( ] [ M ( P ] = Z (1 gdzie: - relaca porównania; [M(W] to współrzędna wzorcowego wektora stanów elementów podstawowych obiektu, [M(P] to współrzędna wektora pierwotnego zbioru

5 PRZEKSZTAŁCANIE INFORMACJI DIAGNOSTYCZNEJ informaci obsługowe obiektu, [M(Z] to współrzędna wektora wynikowego porównania stanów M(P w obiekcie. W tym celu opracowano relacę porównywania stanu elementów obiektu zawartych w tablicy 1.1 z ich wzorcami zgodnie z zaleŝnością:, { Ei } W, { } e Ei ( w ( ε (, W ( z( e a, { Ei } W ( ε ( e gdzie: W w (ε(e wzorcowa binarna wartość stanu -tego elementu w i-tym zespole, W(ε(e - wartość binarna oceny stanu -tego elementu w i-tym zespole obiektu, W(zε(e - wartość binarna porównania stanu -tego elementu w i-tym zespole obiektu, a - relaca porównywania, - relaca wynikania. W sytuaci szczególne, gdy we wzorcowe tablicy stanów obiektu brak est stanu dowolnego -tego elementu w i-tym wierszu, wówczas w to miesce tablicy wpisano symbol (. Wówczas wynikiem realizaci zaleŝności (2 est wynik w postaci wartości (symbolu (. JeŜeli wszystkie elementy tablicy stanów wzorcowych obiektu {W (w (ε(e } maą wartości stanów równe {2} stan zdatności obiektu, to po przekształceniu zaleŝność (2 przymie postać zaleŝności (3., { Ei } { 2} ( ε( e ( z( e a W W, { } (3 e Ei { Ei } W analizie wyznaczania elementów struktury obsługowe obiektu wykorzystano działania (porównywania stanów na wartościach wyraŝonych w logice trówartościowe, wówczas zaleŝność (3 przymie postać, { E i } = W { 2}, { E i } ( ε( e ( z( e = { 1,0,,Ø } a W 2a 2 = 2a1= 1 = 2a 0 = 0 2a Ø= Ø (2 (4

6 802 Stanisław DUER, Konrad ZAJKOWSKI, Radosław DUER gdzie: 2 - stan zdatności; 1 - stan niepełne zdatności; 0 - stan niezdatności; - dopełnienie wymiaru struktury obsługowe obiektu M(P; - dopełnienie wymiaru wzorcowe struktury obsługowe obiektu M(W. Postać ogólna reguły porównywania stanów elementów w strukturze obiektu ma postać zaleŝności: R z a : JEśE LI JEST ( W (, a ( Wz( e TO ( Wz( e = ( 1,0,,Ø Rozwinięciem zaleŝności (4 i 5 est zbiór informaci obsługowe opisuących reguły porównywania stanów elementów struktury obsługowe, który zestawiono w (Tablicy 1. Tab. 1. Zbiór reguł porównywania stanów elementów struktury obsługowe obiektu Numer reguły porównywania {R z } Wartości stanów oznakowanych współrzędnych wektora wzorcowe struktury obsługowe systemu obsługiwania obiektu M(W naleŝą do zbioru < 2, >. W wyniku realizaci zaleŝności (4 i 5 kaŝdemu temu elementowi w kaŝdym i-tym zbiorze informaci opisanym wektorowo przyporządkowano ednoznacznie stan oznakowany, który moŝe przyąć edną wartość ze zbioru {, 0, 1, 2}. Wykonanie zaleŝności (5 czynności przyporządkowania stanom odpowiednich wartośc pozwala wyznaczyć pierwotną strukturę obsługową obiektu. W wyznaczonym zbiorze informaci obsługowe (Tabela 1 są przedstawione stany oznakowane wartościami ze zbioru {, 0, 1, 2}, odpowiednio dla -tych elementów podstawowych. Analizuąc zbiór informaci (Tabela 1 widać, Ŝe stany oznakowane elementów mogą przymować wartość 2, oznaczaącą, Ŝe ten element obiektu est zdatny i nie powinien podlegać profilaktyce. Dlatego ten zbiór informaci obsługowe zaleŝność (4 i 5 wymaga dalszego uszczegółowienia. W kolenym kroku przekształcania zbioru informaci obsługowe, realizaca zaleŝności (5, następue analizowanie tablicy stanów oznakowanych dla danych elementów obiektu. W przypadku zidentyfikowania tego elementu, który est oznakowany wartością 2, oznaczaącą, Ŝe ten element znadue się w stanie zdatności i w procesie obsługiwania nie będzie wymagał odnowienia. Zatem ten element naleŝy "skreślić" i w ego miesce w zbiorze informaci (tablicy wpisać symbol. Symbol oznacza, Ŝe ten element obiektu nie istniee w ego Reguły porównywania stanów elementów struktury obsługowe obiektu R I R 1 : JeŜeli {W (w (e = 2}a {(W(ε(e = } To{(W z (ε(e = } R II R 2 : JeŜeli {W (w (e = 2}a {(W(ε(e = 1} To {(W z (ε(e = 1} R III R 3 : JeŜeli {W (w (e = 2}a {(W(ε(e = 0} To {(W z (ε(e = 0} R IV R 4 : JeŜeli {W (w (e = 2}a {(W(ε(e = } To {(W z (ε(e = } R V R 1 : JeŜeli {W (w (e = }a {(W(ε(e = 2} To {(W z (ε(e = } R VI R 2 : JeŜeli {W (w (e = }a {(W(ε(e = 1} To {(W z (ε(e = } R VII R 3 : JeŜeli {W (w (e = }a {(W(ε(e = 0} To {(W z (ε(e = } R VIII R 4 : JeŜeli {W (w (e = }a {(W(ε(e = } To {(W z (ε(e = } (5

7 PRZEKSZTAŁCANIE INFORMACJI DIAGNOSTYCZNEJ strukturze obsługowe. Jest on tylko dopełnieniem wymiaru wektora danego zbioru informaci obsługowe. W efekcie tego działania uzyskano wstępny zbiór informaci obsługowe (Tablicy 2. Tab. 2. Tablica wstępne informaci obsługowe M(Z Poziomy struktury Wektor stanów elementów obiektu (e obsługowe obiektu z(e 1,1... z(e... z(e J 1 W(z(e 1,1... W(z(e 1,... M M... M... M i W(z(e 1... W(z(e... W(z(e J M M... M... M I W(z(e I,1... W(z(e I,... gdzie: W(z(e - z-ta wynikowa wartość binarna stanu z porównania -tego elementu w i- tym zespole obiektu,, - symbole oznaczaące dopełnienie wymiaru tablicy. 3. WERYFIKACJA METODY WYZNACZANIA WIEDZY OBSŁUGWEJNA PRZYKŁADZIE SILNIKA POJAZDU SAMOCHODOWEGO Przedstawiona metoda wyznaczania bazy wiedzy ekspertowe zweryfikowana zostanie na przykładzie naprawialnego obiektu technicznego, którym est analogowe urządzenie steruące pracą silnika samochodowego (rys. 3 o zapłonie iskrowym wraz z oprzyrządowaniem. X(e 1,1 X(e 1,2 X(e 1,3 X(e 1,4 X(e 4,2 e 1,1 e 1,2 e 1,3 e 1,4 e 1,5 e 4,2 ECU E 1 from engine X(e 4,1 ECU X(e 2,1 e 2,1 e 2,2 X(e 2,2 X(e 1,5 e 4,1 ECU E 4 E 2 Engine X(e 5,1 e 5,1 e 5,2 e 5,3 ECU X(e 3,1 X(e 3,2 ECU ECU E 5 e 3,1 e 3,2 e 3,3 X(e 3,3 ECU X(e 6,1 ECU e 6,1 e 6,2 E 3 e 7,1 E 6 E 7 Rys.3. Schemat funkconalno-diagnostyczny badanego obiekt, gdzie: E 1 układ zapłonowy: e 1,1 alternator, e 1,2 regulator napięcia, e 1,3 akumulator, e 1,4 cewka WN, e 1,5 świeca zapłonowa; E 2 układ zasilania paliwem: e 2,1 regeneraca filtra z węglem aktywnym, e 2,2 wtryskiwacz; E 3 układ zasilania powietrzem: e 3,1

8 804 Stanisław DUER, Konrad ZAJKOWSKI, Radosław DUER przepływomierz powietrza, e 3,2 czunika połoŝenia przepustnicy, e 3,3 regulator biegu ałowego; E 4 układ czuników: e 4,1 czunik spalania stukowego, e 4,2 czunik temperatury cieczy chłodzące; E 5 układ wylotowy: e 5,1 sonda λ (1, e 5,2 katalizator, e 5,3 - sonda λ (2; E 6 silnik: e 6,1 czunik prędkości wału korbowego, e 6,2 zawór EGR: E 7 e 7,1 komputer pokładowy (mikroprocesor-sterownik. Stanowisko badawcze zostało opracowane na bazie silnika o zapłonie iskrowym z systemem wtrysku wielopunktowego typu Motronic. Obiekt poddano opracowaniu diagnostycznemu w efekcie, którego opracowano: schemat funkconalno-diagnostyczny. W przykładzie wykorzystano obiekt, którego struktura wewnętrzna (rys. 3 i (Tablica 3 składa się z siedmiu zespołów (E 1, E 2,, E 7, a w kaŝdym z nich wyróŝniono do pięciu elementów [4]. Obiekt poddano opracowaniu diagnostycznemu w efekcie, którego opracowano: schemat funkconalno-diagnostyczny na podstawie, którego zestawiono zbiór elementów obsługowych. Obiekt poddano opracowaniu diagnostycznemu w efekcie, którego opracowano schemat funkconalno-diagnostyczny (rys. 3 na podstawie, którego wyznaczono wymagany zbiór sygnałów diagnostycznych {X }. Wykorzystuąc zaprezentowany wcześnie sposób klasyfikowania elementów obsługowych pogrupowano elementy funkconalne obiektu na podzbiory klas, uzyskane wyniki przedstawiono w (Tablicy 3. Tab. 3. Struktura wewnętrzna obiektu Zespoły obiektu Elementy w strukturze obiektu {e } E i e 1 e 2 e 3 e 4 e 5 E 1 e 1,1 e 1,2 e 1,3 e 1,4 e 1,5 E 2 e 2,1 e 2,2 E 3 e 3,1 e 3,2 e 3,3 E 4 e 4,1 e 4,2 E 5 e 5,1 e 5,2 E 6 e 6,1 e 6,2 E 7 e 7,1 Na podstawie badania stanu obiektu wyznaczono tablice stanów oraz dokonano porównania stanów ze stanem wzorcowym, które przedstawiono w postaci tablic (Tablice 4 i 5. Tab. 4. Tablica stanów obiektu Stan Stan Wektor stanów elementów ε(e Obiektu zespołu e 1 e 2 e 3 e 4 e O

9 PRZEKSZTAŁCANIE INFORMACJI DIAGNOSTYCZNEJ WNIOSKI Tab. 5. Tablica porównania stanów obiektu Stan Stan Wektor porównania stanów elementów ε(e Obiektu zespołu e 1 e 2 e 3 e 4 e O Proces obsługiwania obiektów technicznych, szczególnie takich gdzie est wymagany krótki czas ich przestoów musi być realizowany według strategii profilaktyki z kontrolą stanu. NaleŜy on do trudnych przedsięwzięć organizacyno-technicznych. Tak zorganizowana profilaktyka obiektu charakteryzue się ednak stosunkowo wysoką efektywnością uzyskaną głównie poprzez optymalizacę kosztów eksploataci. W chwili obecne w rozwiązywaniu zdań obsługowych obiektów technicznych stosue się systemy ekspertowe, które wykorzystuą wiedzę specalistyczną. Proces pozyskiwania wiedzy specalistyczne człowieka na potrzeby wspomagania profilaktyki obiektów est ciągle rozwiany. Istotnymi aspektami tego procesu est poznanie i opis metod przekształcania te wiedzy do postaci moŝliwe do wykorzystania e przez system komputerowy. Skutecznym podeściem w procesie organizaci ekspertowych systemów obsługiwania obiektów technicznych est wykorzystanie w nich informaci pochodzące z róŝnych, a szczególnie tych ze sztucznych sieci neuronowych. WaŜną ednak funkcę w ekspertowych systemach obsługiwania spełnia człowiek, który wyznacza informacę obsługową, organizue system obsługiwania i nadzorue ego realizacę. Artykuł przedstawia metodę wykorzystania (przekształcania wiedzy specalistyczne człowieka na potrzeby komputerowego proektowania systemu obsługiwania obiektów technicznych. 5. BIBLIGRAFIA [1] Duer S.: An algorithm for the diagnosis of reparable technical obects utilizing artificial neural Network. ZEM, Vol. 43, No. 1( , pp [2] Duer S.: Determination of a diagnostic information of a reparable technical obect on the basis of a functional and diagnostic analysis on example of a car engine. ZEM, Vol. 43, No. 4( , pp [3] Duer S.: Artificial Neural Network-based technique for operation process control of a technical obect. Defence Science Journal, DESIDOC, Vol. 59, No. 3, May 2009, pp

10 806 Stanisław DUER, Konrad ZAJKOWSKI, Radosław DUER [4] Duer S.: Investigation of the operation process of a repairable technical obect in an expert servicing system with an artificial neural network. Neural Computing & Applications, 2010, Vol. 19, No. 5, pp [5] Duer S.: Qualitative evaluation of the regeneration process of a technical obect in a maintenance system with an artificial neural network. Neural Computing & Applications. 2011, Vol. 20, No. 5, pp &aqId= &checkval=ad10dea9b0005e4b1523cfd0443fbf7d [6] Duer S.: Expert knowledge base to support the maintenance of a radar system. Defence Science Journal, 2010, Vol. 60, No. 5, pp [7] Duer S.: Modelling of the operation process of repairable technical obects with the use information from an artificial neural network. Expert Systems With Applications. 38 (2011, pp [8] Duer S.: Artificial neural network in the control process of obect s states basis for organization of a servicing system of a technical obects. Neural Computing & Applications DOI: /s [9] Duer S.: Assessment of the quality of decisions worked out by an artificial neural network which diagnoses a technical obect. Neural Computing & Applications. 2011, DOI: /s [10] Duer S.: Examination of the reliability of a technical obect after its regeneration in a maintenance system with an artificial neural network. Neural Computing & Applications. 2011, DOI /s [11] Dhillon B.S.: Applied Reliability and Quality, Fundamentals, Methods and Procedures. Springer Verlag London Limited 2006, p [12] Madan M. Gupta, Liang Jin and Noriyasu H.: Static and Dynamic Neural Networks, From Fundamentals to Advanced Theory. John Wiley & Sons, Inc 2003, p [13] Nakagawa T.: Maintenance Theory of Reliability. Springer Verlag London Limited 2005, p [14] Palkova Z., Rodny T.: Modeling of obect-related database structures in the development of artificial irrigation system. Požiadavky na systém: Windows 95 a vyššie; CD-ROM mechanika. - Spôsob prístupu: In Technika v technológiách agrosektora 2010 [elektronický zdro] : zborník vedeckých prác, Nitra, november Nitra : Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre,