METODA ANALIZY JAKOCI PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH PRZY ZASTOSOWANIU KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA

Transkrypt

1 19/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Roczik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN METODA ANALIZY JAKOCI PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH PRZY ZASTOSOWANIU KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA B. KRUPISKA 1, L.A. DOBRZASKI 2, D. SZEWIECZEK 3, M. KRUPISKI 4 Istytut Materiałów Iyierskich i Biomedyczych, Politechika lska ul. Koarskiego 18a, Gliwice STRESZCZENIE Ze wzgldu a złooo aalizy efektywoci techologiczej opracowao aplikacj komputerow AEPT w wyiku, której otrzymywae s: wskaiki efektywoci operacji z wyróioymi wskaikami o miimalych dopuszczalych wartociach, wartoci efektywoci zastosowaych obróbek, warto efektywoci techologiczej procesu. W wyiku przeprowadzoej aalizy efektywoci z wykorzystaiem aplikacji komputerowej (AEPT) uzyskiway jest raport ko cowy z wartociami wskaików ujtych w formach tabelaryczych i wykresów. Program wskazuje operacje o małej efektywoci wraz z wyróieiem wartoci wskaików czstkowych o iskich wartociach efektywoci. Do automatyzacji procesu wyzaczaia efektywoci techologiczej operacji (K ix ) oraz moliwoci jej optymalizacji zastosowao jedo z arzdzi sztuczej iteligecji sieci euroowe [1,6-15]. Zastosowaie sieci euroowych pozwala a wyzaczeie wartoci efektywoci techologiczej operacji (K ix ) oraz sprawdzeie wartoci efektywoci operacji w przypadku zmiay wartoci poszczególych wskaików czstkowych efektywoci bez koieczoci szczegółowej aalizy całego procesu jak i daej operacji. Key words: techological efficiecy, techological process, optimizatio, eural etwork 1 dr i., beata.krupiska@polsl.pl 2 dr h.c. prof. zw. dr hab. i., leszek.dobrzaski@polsl.pl 3 prof. dr hab. i., dauta.szewieczek@polsl.pl 4 dr i., mariusz.krupiski@polsl.pl

2 1. WPROWADZENIE Postp techiczy w zakresie iyierii materiałowej stawia coraz to wysze wymagaia dotyczce jakoci produktu. Istieje wiele metod pozwalajcych a jej kształtowaie, do których zalicza si modelowaie techologii produkcji, optymalizacj wielokryterial z wykorzystaiem komputerowego wspomagaia [1,7-10]. Kompleksowa ocea procesów techologiczych z puktu widzeia jakoci, poprawoci doboru techologii staowi podstaw aalizy efektywoci techologiczej. Zastosowaie aplikacji komputerowych jako arzdzia wspomagajcego projektowaie materiałowe i techologicze liczych produktów pozwala rówie a poprawieie efektywoci ludzkiej pracy. Warto tu wspomie o specjalistyczych programach wykorzystujcych metody sztuczej iteligecji, w tym sztucze sieci euroowe, algorytmy geetycze i systemy doradcze, do projektowaia oraz optymalizacji ze wzgldu a załooy przebieg wytypowaych własoci lub wybraych parametrów techologiczych oraz predykcji ich własoci. Automatycza korekta przebiegu procesu wytwórczego w warukach zmieiajcych si w ie ormatywy sposób czyików składowych tego procesu, w celu wytworzeia materiałów lub produktów z wczeiej załoo jakoci i własociami, jest zupełie owym i owatorskim podejciem do zagadieia sterowaia i kotroli wytwarzaia. Zastosowaie metod komputerowych pozwala m.i. przyspieszy prowadzo aaliz, zwikszy powtarzalo wyików, a take umoliwia dostp do duej liczby wyików wykoaych oblicze efektywoci procesu techologiczego. Sztucze sieci euroowe s stosowae coraz powszechiej w realizacji wielu zada, gdy ich zalet jest zdolo uczeia i adaptacji do zmieiajcych si waruków oraz zdolo uogólieia abytej wiedzy. Dziki tym własociom mog by oe wykorzystywae wszdzie tam, gdzie zastosowaie tradycyjych metod apotyka a due trudoci, rozwizaia aalitycze s iemoliwe lub bardzo trude do realizacji oraz w zagadieiach wymagajcych kojarzeia i przetwarzaia iepełej lub iedokładej iformacji. Sieci euroowe czsto wspomagaj wic człowieka w procesie podejmowaia trudych, a czasem złooych decyzji [12-15]. 2. METODYKA BADA Podczas aalizy efektywoci techologiczej moa wykorzysta wskaiki czstkowe efektywoci, które charakteryzuj operacje uwzgldiajc kryteria: operacja materiał, operacja maszya, operacja - człowiek, operacja parametry techologicze. Aaliza przeprowadzoa w taki sposób pozwala a wskazaie wpływu poszczególych kryteriów a efektywo procesu oraz wyzaczeie kieruku optymalizacji. Dla uwzgldieia róorodoci operacji w procesach techologiczych moa wykorzysta wskaik waoci operacji okrelajcy wag operacji a tle całego procesu. Do wyzaczeia tego wskaika opracowa aley macierz poprzez wskazaie 186

3 relacji pomidzy wszystkimi operacjami. Pozwala oa a usystematyzowaie operacji według wagi dla poprawoci przebiegu procesu. W ramach kotroli operacji aley wyzaczy wskaiki ze wzgldu a załooe kryteria [10,13]. W wyiku czego moa wskaza operacje ieefektywe z jedoczesym uwzgldieiem wagi operacji wyraoej za pomoc wskaika waoci operacji (W WK ). Warto wskaików składowych efektywoci operacji (K ix ) pozwala a okreleie obszaru jej doskoaleia, a w efekcie doskoaleia całego procesu techologiczego. Ozacza to, e aaliza taka moe słuy jako arzdzie ie tylko aalizy efektywoci, ale rówie do cigłego doskoaleia procesu, a w kosekwecji jego optymalizacji. Wyzaczoe wskaiki efektywoci operacji posłu do wyzaczeia wartoci efektywoci ze wzgldu a rodzaj zastosowaej obróbki (E OC, E OU, E OPZ, E OPG ), a w kosekwecji do wyzaczeia efektywoci techologiczej całego procesu (E PT ) [10,13] Obliczeie współczyika efektywoci techologiczej operacji K ix z zastosowaiem sztuczych sieci euroowych a podstawie rzeczywistych daych wybraych procesów techologiczych Metodyka zastosowaia sztuczych sieci euroowych: Do oblicze współczyika (K ix ) zastosowao program Statistica Neural Networks w wersji 5.5. Zbiór daych wykorzystywaych w procesie budowy modelu przy uyciu sieci euroowej, dzieloo a trzy podzbiory: uczcy, walidacyjy oraz testowy. Połow przypadków uyto do modyfikacji wag sieci w procesie uczeia (zbiór uczcy), 25 procet dla ocey błdów predykcji w czasie procesu uczeia (zbiór walidacyjy). Pozostał cz daych przezaczoo do iezaleego okreleia sprawoci sieci po całkowitym zako czeiu procedury jej tworzeia (zbiór testowy). Podziału a poszczególe zbiory dokoywao w sposób losowy, obserwujc redi arytmetycz i odchyleie stadardowe dla kadego ze zbiorów. Dae wykorzystywae w procesie uczeia i testowaia sieci poddao ormalizacji. Zastosowao skalowaie wzgldem odchyleia od wartoci miimalej [4,5,9]. Optymaly typ sieci dobierao dla kolejych zada sporód zestawioych poiej: perceptro wielowarstwowy (MLP Multilayer Perceptro), sie liiowa, sie o radialych fukcjach bazowych (RBF Radial Basis Fuctios). Liczb zmieych wejciowych ustalao po przeprowadzeiu aalizy wraliwoci sieci. Podczas aalizy wraliwoci okrelao wzgldy wpływ zmieej wejciowej a jako działaia sieci, dokoujc wielokrotego testowaia sieci bez aalizowaych zmieych. Jako podstaw ocey przydatoci zmieej przyjto błd okrelajcy jako sieci przy braku daej zmieej oraz iloraz obliczay przez podzieleie wspomiaego błdu przez błd sieci dla wszystkich aalizowaych zmieych [ W celu wybraia metody sposobu uczeia sieci rozpatrywao: L PWM - liczba produktów odrzucoych (aaliza materiałowa), L p - liczba produktów (aaliza materiałowa), L PW - liczba wyprodukowaych produktów (aaliza materiałowa), 187

4 W zm wskaik zuycia materiału, T ZP zaplaoway czas pracy maszyy, T RZ rzeczywisty czas pracy maszyy, W m wskaik poprawoci techologii, L p1 liczba produktów (aaliza pracy człowieka), L PW1 liczba wyprodukowaych produktów(aaliza pracy człowieka), L PWC1 produkty wadliwe z powodu błdu człowieka, W EX wskaik efektywoci charakteryzujcy rodzaj operacji podczas obróbki, W PD wskaik poprawoci doboru materiałów, K ix wskaik efektywoci techologiczej operacji. W trakcie procesu uczeia aalizowao jedoczeie błd sieci dla zbioru uczcego i walidacyjego. Proces przerywao, w przypadku wzrostu wartoci błdu dla zbioru walidacyjego iezaleie od zachowaia błdu dla zbioru uczcego. Jako podstawowe wskaiki ocey jakoci modelu utworzoego przy pomocy sieci euroowej, wykorzystao wielkoci wyzaczoe dla zbioru testowego, a miaowicie [15]: błd redi progozy sieci, odchyleie stadardowe błdu progozy sieci, wykres skupie progozy sieci, zestawieie wartoci wskaika efektywoci (K ix ) dla daych wyzaczoych w wyiku przeprowadzoej aalizy efektywoci oraz obliczoych za pomoc sieci euroowych. redi błd progozy sieci obliczoo według zaleoci (1): E j 1 = ( X zi X oi ) i= 1 gdzie: E j błd dla j-tej własoci, liczba daych w zbiorze testowym, X zi i-ta warto zmierzoa, X oi i-ta warto obliczoa. Odchyleie stadardowe dla błdu progozy sieci wyzaczoo zgodie z zaleoci (2): s = 2 Ei i= 1 i= 1 ( 1) Ei 2 (1) (2) Zgodie z zastosowa metodyk, obliczoo współczyik efektywoci operacji (K ix ) z zastosowaiem sieci euroowych: Obliczeia rozpoczto od opracowaia daych rzeczywistych wybraych procesów techologiczych, które stały si baz umoliwiajc wykorzystaie sztuczych sieci euroowych (SSN), czyli udoskoaleie automatyzacji przeprowadzaia aalizy efektywoci, jak rówie umoliwiło progozowaie wyików zaplaowaej optymalizacji. 188

5 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADA Dla aalizy opracowaego modelu wykorzystujcego sieci euroowe do obliczaia wartoci wskaika efektywoci techologiczej operacji (K ix ), wykorzystao utworzoe zaleoci. Aaliz przeprowadzoo dla wartoci uzyskaych z rzeczywistych procesów techologiczych do testowaia sieci euroowych. Jako wskaiki ocey adekwatoci uzyskaych wyików z daymi dowiadczalymi wykorzystao: błd redi, błd maksymaly, odchyleie stadardowe błdu progozy. Wartoci błdów, odchyleia stadardowego oraz ilorazu odchyle stadardowych i uzyskaych dla oblicze wskaika efektywoci techologiczej operacji (K ix ) procesu techologiczego dla opracowaego modelu sieci euroowej i dla utworzoych zaleoci okreloych rówaiami zestawioo w tabeli 1. Tabela 1. Zestawieie wartoci dla wskaika efektywoci K ix obliczoej a podstawie daych ze zbioru testowego i weryfikujcego przy pomocy modelu sieci euroowej oraz zaleoci rzeczywistych Table 1. The compositio of value for coefficiet of efficiecy K ix couted o basis the data with file the as well as depedece real test ad verifyig ear help patterel of lattices euroal Rodzaj daych Błd redi Odchyleie redi błd stadardowe błdu bezwzgldy Zbiór testowy -0,018 0,023 0,025 Zbiór weryfikujcy 0,013 0,045 0,031 Przedstawioe wskaiki ocey jakoci zapropoowaego modelu wskazuj a du zgodo z daymi dowiadczalymi wyików, uzyskaych przy pomocy modelu sieci euroowej. Dodatkowo, dla zweryfikowaia poprawoci działaia opracowaego modelu, sprawdzoo działaie sieci euroowej a daych rzeczywistych, których ie wykorzystywao do treigu sieci euroowych zarówo do jej auki jak i testowaia. Na rysuku 1 przedstawioo wykres zestawiajcy wartoci wskaika efektywoci techologiczej dla daych rzeczywistych ie braych pod uwag przy budowie modelu oraz obliczoe za pomoc sieci euroowej. Oceiajc dokłado oblicze efektywoci aley wzi pod uwag, e błd redi ie przekraczał 3,98% zakresu porówywaych wartoci wskaik efektywoci operacji, za pomoc których sprawdzoo poprawo sieci i wyzaczoych za pomoc sieci z przedziału od 0 do 1. Zblioe wskaiki ocey jakoci, obliczoe dla zbioru testowego oraz weryfikujcego, wiadcz o poprawoci zastosowaego modelu. 189

6 Wskaik efektywoci operacji Kix Numer operacji Legeda wykresu Wskaik (K ix ) obliczoy w wyiku aalizy efektywoci techologiczej Wskaik (K ix ) obliczoy przez sie euroow Rys.1. Zestawieie wartoci wskaika efektywoci K ix dla daych wyzaczoych w wyiku przeprowadzoej aalizy efektywoci oraz obliczoych za pomoc sieci euroowych. Fig.1. The compositio of value of coefficiet efficiecy K ix for data of appoited i result of coducted aalysis efficiecies as well as couted with the help of eural etworks Stworzeie aplikacji komputerowej umoliwiajcej wyzaczeie poszczególych wskaików i kocow oce efektywoci oraz optymalizacj poszczególych operacji (AEPT Aaliza Efektywoci Procesu Techologiczego) Biorc pod uwag opracoway model aalizy efektywoci techologiczej wykoao system wspomagaia komputerowego. Do aalizy efektywoci techologiczej opracowao aplikacj pozwalajc a czciowe uproszczeie oblicze efektywoci techologiczej procesu (rys. 2)[10,13]. Program AEPT realizoway jest zgodie z algorytmem przedstawioym a rysuku 2 i umoliwia otrzymaie raportu ko cowego przedstawiajcego przeprowadzo aaliz efektywoci techologiczej dla wybraego procesu. Algorytm wprowadzaia daych jest zgody z modelem wyzaczaia efektywoci techologiczej. Na rysukach 3 i 4 przedstawioo przykładowe rzuty z ekraów z opracowaej aplikacji AETP[10, 13]. 190

7 Rys. 2. Ogóly algorytm postpowaia przeprowadzaia aalizy efektywoci procesu techologiczego przy uyciu aplikacji komputerowej (AEPT) [10,13] Fig.2. Algorithm of proceedigs by coductig the aalysis of techological process efficiecy by the use of computer applicatio (AEPT) 191

8 Rys. 3. Oko programu AEPT przedstawiajce wykres wartoci wskaika waoci operacji W WK z uwzgldieiem umeru operacji Fig. 3. AEPT program widow presetig the graph of techological efficiecy operatio Rys. 4. Oko programu AEPT przedstawiajce wektor parametrów operacji, której wskaik efektywoci techologiczej wyzaczay jest dziki zastosowaiu sieci euroowych [10, 13] Fig. 4. AEPT program widow presetig the vector of parameters the operatio, which the coefficiet of techological efficiecy be marked thaks to use of lattice eural et PODSUMOWANIE Istot optymalizacji jest osigicie wartoci optymalej, jedak ie aley zapomia, e ajwaiejsze jest to w jaki sposób ta warto zostaje osigita czyli wyzaczeie efektywoci procesu poszukiwaia. Optymalizacj moa podzieli a 192

9 dwa etapy: zwikszaia efektywoci i osigicia wartoci optymalej, co wskazuje e główym jej celem jest doskoaleie [1,10]. Zastosowaie metod wspomagaia komputerowego umoliwia wyzaczeie opracowaych wskaików oraz ko cow oce efektywoci procesu, pozwalajc a zaplaowaie optymalizacji poszczególych operacji. Bardzo istote jest przy tym odpowiedie przygotowaie daych wejciowych sieci euroowych, w tym odpowiedie wyselekcjoowaie daych stosowaych do auki sieci euroowych oraz zebraie zbioru rzeczywistych daych z procesu techologiczego do weryfikacji oraz testowaia opracowaych systemów komputerowych opartych a metodach sztuczej iteligecji. W dalszym cigu prowadzoe s prace ad popraw skuteczoci działaia opracowaego systemu komputerowego. Powizaie wszystkich metod, wykorzystujcych wskaiki efektywoci, obliczeia wykoae w sposób aalityczy, pozwol a efektyw optymalizacj procesów techologiczych. LITERATURA [1] Amelja czyk A., Optymalizacja wielokryteriala w problemach sterowaia i zarzdzaia, Polskie Towarzystwo Cyberetycze - Wrocław: Zakład Narodowy im. Ossoli skich. Wydawictwo PAN, [2] Dobrza ski L.A.: Podstawy auki o materiałach i metalozawstwo. Materiały iyierskie z podstawami projektowaia materiałowego, Wydawictwa Naukowo-Techicze, Warszawa, [3] Dobrza ski L.A.: The priciples of selectio of egieerig materials from cards of profiles, WNT, Warszawa 2001 [4] Dobrza ski L.A., Krupi ski M., Sokolowski J.H.: Computer aided classificatio of flaws occurred durig castig of alumium, Joural of Materials Processig Techology, Vol. 167, Is. 2-3, 2005, pp [5] Dobrza ski L.A., Trzaska J.: Applicatio of eural etworks for predictio of critical values of temperatures ad time of the supercooled austeite trasformatios, Joural of Materials Processig Techology, Vol , 2004, pp [6] Jiahe A., Jiag X., Huiju G., Yaohe H., Xisha X.: Artificial eural etwork predictio of the microstructure of 60Si2MA rod based o its cotrolled rollig ad coolig process parameters, Materials Sciece ad Egieerig, A344, 2003, pp [7] Krupi ska B., Szewieczek D.: Aalysis of techological process o the basis of efficiecy criterio, Jural of Achievemets i Materials ad Maufacturig Egieerig 2006, Vol. 17, July-August [8] Krupi ska B., Szewieczek D.: The attempt of evaluatio of the chose techological gear wheel process o the basis of its efficiecy operatio,the 13th Iteratioal Scietific Coferece o Achievemets i Mechaical ad Materials Egieerig - AMME'2005, Worldwide Cogress o Materials ad Maufacturig 193

10 Egieerig ad Techology - COMMENT'2005, 16th-19th May 2005 Gliwice Wisła, pp [9] Krupi ska B.: Praca doktorska: Optymalizacja wybraych procesów techologiczych ze wzgldu a kryterium ich efektywoci, Politechika lska, Gliwice 2006 [10] Lueberger D. G.: Teoria optymalizacji, PWN, Warszawa 1984 [11] Ossowski S., Sieci euroowe do przetwarzaia iformacji. Oficya Wydawicza Pol. Warszawskiej, Warszawa [12] Rutkowska D., Pili ski M, Rutkowski L., Sieci euroowe, algorytmy geetycze i systemy rozmyte. PWN, Warszawa [13] Szewieczek D., Dobrzaski L.A., Krupiska B., Krupiski M.: Methodical foudatios of optimizatio of techological processes o basis of techological efficiecy aalysis, The 11 th Iteratioal Scietific Coferece o the Cotemporary Achievemets i Mechaics, Maufacturig ad Materials Sciece CAM 3 S'2005 (former Coutrywide Coferece o Cotemporary Achievemets i Materials Sciece CAMS), 6 th -9 th December 2005 i Gliwice-Zakopae [14] Szewieczek D., Tkaczyk. St. Wojtaszek B.: Measuremet ad cotrol of the techological process by meas of the aalysis of its effeciecy, 12 th Iteratioal Scietific Coferece AMME Gliwice-Zakopae [15] Nałcz M. pod red.: Sieci euroowe, EXIT, Warszawa [16] Kozłowski J., Bieracki R., Myszka D., Perzyk M., Kocha ski A.: Zastosowaie systemów uczcych si do przewidywaia własoci materiałów odlewaych, Archiwum odlewictwa, r 14, 2004, s [17] Kulkari M.S.; Subash Babu A.: Maagig quality i cotiuous castig process usig product quality model ad simulated aealig, Joural of Materials Processig Techology, Vol. 166, Is. 2, 2005, pp METHOD OF ANALYSIS OF QUALITY TECHNOLOGICAL PROCESSES NEAR USE OF COMPUTER AID SUMMARY Oe has worked out a applicatio that allows to aalyze the efficiecy of techological process i aspect of omaterial values ad has used eural ets to verify particle idicators of quality of a process operatio. Idicators appoitmet makes it possible to evaluate the process efficiecy, which ca costitute a optimizatio basis of particular operatio. Recezował: prof. Ja Szajar. 194