Экспертные системы (ЭС)

Современный этап в разработке и использовании средств неразрушающего контроля и диагностики характеризуется интенсивной компьютеризацией. Применение современной вычислительной техники, прежде всего высокопроизводительных, относительно недорогих персональных компьютеров, сделало возможным появление качественно нового поколения приборов и систем НК и Д. Отличительной особенностью устройств данного поколения является наличие у них развитых систем компьютерной обработки информации, использующих эвристические и формальные методы.

Проявляемый к ЭС высокий интерес объясняется прежде всего следующими причинами. Во-первых, ЭС ориентированы на решение широкого класса неформализованных задач. Во-вторых, ЭС при решении практических задач обеспечивают результаты, не уступающие по качеству тем, которые может получить эксперт-человек. Неформализованные задачи обладают одной или несколькими из следующих характеристик:

• задачи не могут быть заданы в числовой форме;

• цели не могут быть выражены в терминах точно определенной целевой функции;

• не существует алгоритмического решения или оно существует, но его нельзя использовать из-за имеющихся ограничений.

Как правило, неформализованные задачи отличаются:

• неоднозначностью, неполнотой и противоречивостью исходных данных;

• неоднозначностью, неполнотой и противоречивостью знаний о проблемной области и решаемой задаче;

• большой размерностью пространства возможных решений;

• динамически изменяющимися данными и знаниями.

Неформализованные задачи представляют собой

большой и очень важный класс задач НК и Д.

Все многообразие неформализованных задач в области НК и Д можно условно разбить на два больших класса: задачи, связанные с исследованиями, проектированием, разработкой средств НК и Д, и задачи обработки и анализа информации средств (в средствах) НК и Д об объектах с целью принятия решений.

Задачи первого класса включают вопросы построения (синтеза) и исследования моделей процессов, моделей объектов контроля и диагностики, диагностических моделей, синтеза и оптимизации архитектуры средств НК и Д, выбора эффективных методов отстройки от мешающих факторов, методов обработки и анализа информации, синтеза и оптимизации аппаратного и программного обеспечений и т.д. Несмотря на определенные достижения в последние годы в области создания различных моделирующих, оптимизирующих программ, САПРов и т.д., успешное решение перечисленных задач по-прежнему во многом зависит от опыта и знаний разработчика.

В то же время число квалифицированных специалистов (ученых, разработчиков) ограничено, их знания, как правило, имеют личностный характер, представляют собой набор различных эвристик. Несомненно, что именно системы, основанные на знаниях, предназначенные для обработки эвристических знаний, позволяют успешно решать указанные задачи. Применение ЭС в данных приложениях позволит обеспечить новые результаты при фундаментальных и прикладных исследованиях в области НК и Д, а также повышение технического уровня разрабатываемых устройств за счет использования знаний первоклассных экспертов.

Задачи второго класса непосредственным образом связаны с решением проблем технической диагностики, дефектоскопии конкретных объектов. В силу различных причин, например сложности объектов, многообразия диагностических признаков и дефектов, специфичных условий контроля качества и т.д. для широкого круга практических задач НК и Д алгоритмического решения не существует или оно существует, но не обеспечивает в реальных условиях удовлетворительных результатов, и окончательное решение принимает человек. В данных случаях определяющую роль в успешном решении задачи играют опыт и эвристические знания конкретного специалиста. Очевидно, что это обстоятельство вносит субъективный фактор в результаты полученных решений: опыт и знания у каждого специалиста различны, на результатах также сказывается психофизическое состояние человека. Кроме того, не для всех приложений возможно участие человека в процессе контроля (или диагностики), как, например, при наличии вредных и агрессивных сред.

Применение ЭС для решения задач этого класса позволяет в ряде случаев полностью исключить участие человека в процессе принятия окончательных решений, не снижая (а иногда и повышая) качество контроля (диагностики). В других же случаях использование ЭС повышает уровень компетентности человека, что также положительно сказывается на качестве диагностики.

Требования, предъявляемые к ЭС, решающим задачи первого и второго классов, различны. Эти различия в первую очередь касаются содержания баз знаний ЭС. ЭС первого типа (предназначенные для решения задач первого класса) должны обладать мощными базами различных знаний о предметной области: о данных (или аналогичных) объектах контроля (диагностики), процессах, используемых формальных и эвристических методах и алгоритмах решения подобных (или аналогичных) задач и т.д. Как правило, данные ЭС не являются системами реального времени и не функционируют в комплексе с измерительной аппаратурой.

ЭС второго типа обладают базами знаний меньшего объема, содержание их более конкретно. Это могут быть знания о данном объекте, режимах его функционирования, условиях контроля (диагностики), возможных дефектах и неисправностях объекта (его узлов), действиях в случае возникновения тех или иных ситуаций и т.д. ЭС второго типа могут быть как системами реального времени, функционировать в комплексе с измерительной аппаратурой, так и системами интерактивного типа. Для данных ЭС характерно, что информация, полученная с помощью измерительной аппаратуры, является для них исходной (входной). Примерами систем этого класса могут служить ЭС SUPER и EXTRACSION.

ЭС SUPER (разработчик - University of Technology of Compiegne) ориентирована на выявление и идентификацию дефектов парогенераторов. Система обрабатывает и анализирует информацию, полученную с помощью многоканальной измерительной аппаратуры, реализующей мультичастотный вихретоковый метод контроля. В основу организации ЭС SUPER положена система правил - продукций. База знаний ЭС содержит исчерпывающую информацию, касающуюся вихретокового метода контроля, особенностей контроля рассматриваемого объекта, возможных дефектов и т.д. В процессе функционирования SUPER полностью воспроизводит ход рассуждений дефектоскописта. ЭС SUPER позволяет определить тип и глубину дефектов. Возможности ЭС SUPER обеспечивают выявление как единичных симметричных (асимметричных), так и множественных симметричных (асимметричных) дефектов труб парогенераторов.

ЭС EXTRACSION CdF предназначена для диагностики состояния труб парогенераторов в атомной промышленности. По мощности и составу своей базы знаний, своим возможностям данная ЭС приближается к ЭС первого типа. Как и в системе SUPER, при измерениях используется вихретоковый метод контроля. Организация базы знаний ЭС представляет собой иерархию различных уровней и типов знаний. Основу ЭС EXTRACSION составляют априорные знания, так как возможные дефекты и адекватные методы их выявления обычно известны. Априорные знания включают в себя: знания об организации сигналов, об обработке сигналов, интерпретации и диагностике. Априорные знания разбиты на три большие группы. В их числе:

• структура металла исследуемой конструкции, ее возможные модификации, методы измерений, применимые для решения задачи;

• базовые структуры сигналов и их возможные модификации с учетом модификаций структуры металла;

• выбор адекватных методов выявления, распознавания, сегментации.

В EXTRACSION определены два интеллектуальных уровня. На верхнем интеллектуальном уровне решаются задачи проверки соответствия методов третьей группы (их применимости) возникающим модификациям (изменениям) знаний первой группы, которые, в свою очередь, определяют модификации во второй группе. На низшем интеллектуальном уровне ЭС реализуется построение умозаключений с целью конечной диагностики состояния объекта.

Кроме рассмотренных классов задач имеется еще одно важное применение ЭС в области НК и Д. Это обучение (переобучение, повышение квалификации) специалистов. Очевидно, насколько актуальна эта задача в настоящее время. Одной из эффективных форм обучения, которую можно реализовать с помощью ЭС, является обучение путем решения типовых задач. В процессе решения задачи ЭС с помощью своей объяснительной компоненты позволяет обучаемому понять логику рас- суждений высококлассных экспертов, освоить их приемы и подходы к решению подобных задач, получить доступ к эвристическим знаниям о рассматриваемой проблеме.

Анализ разрабатываемых и существующих ЭС НК и Д позволяет выявить некоторые тенденции в их построении. Базы правил данных ЭС в среднем насчитывают около 300 правил, хотя встречаются ЭС, содержащие 20 - 25 тысяч правил. Наиболее часто в основу ЭС бывают положены системы правил типа «если..., то...». Это объясняется большей наглядностью такого представления знаний по сравнению с представлениями, основанными на использовании фреймов, семантических сетей и т.д. В реализации механизма вывода ЭС чаще используются прямые цепочки рассуждений, несколько реже обратные.

Разработка ЭС представляет собой длительный и трудоемкий процесс. Он является итеративным, причем часто на той или иной стадии приходится начинать разработку практически сначала.

Одним из путей, который в известной степени позволяет решить перечисленные проблемы, является использование, по крайней мере на начальном этапе, «пустой» ЭС (ЭС, не содержащей никаких знаний о предметной области). Подобные ЭС обладают возможностями организации и редактирования баз знаний, встроенным механизмом вывода, объяснительной компонентой и т.д. Такой подход позволяет довольно быстро получить ответ на ряд важных вопросов: насколько применимы ЭС для решения конкретной задачи, насколько эффективна для решения задачи выбранная ЭС и т.д. При благоприятном исходе удается создать первый прототип ЭС, возможности которого в дальнейшем будут наращиваться.

Рассмотренная концепция «быстрого» прототипа была положена в основу системы вибродиагностики судовых турбоагрегатов. В качестве измерительной аппаратуры в системе применяются комплексы многоканальной контрольно-сигнальной аппаратуры, позволяющие измерять, контролировать относительные и абсолютные вибрации паровых и газовых судовых турбин. В связи с известными трудностями формализации задачи анализ информации об уровнях вибрации турбин осуществляется с помощью ЭС.

В качестве базы для построения ЭС вибродиагностики была выбрана готовая «пустая» ЭС, представление знаний в которой основано на системе правил типа «если..., то...», механизм вывода использует прямую цепочку рассуждений. Основные трудности разработки ЭС связаны прежде всего с недостатком статистического материала, неполнотой информации об объекте диагностики.

1.5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СНК И Д

Общие вопросы технико-экономического анали­за. На всех стадиях создания и внедрения СНК и Д необ­ходимо проводить технико-экономический анализ и оп­ределять эффективность их применения.

Необходимость расчетов на всех стадиях обуслов­ливается тем, что на каждой последующей стадии проек­тирования и внедрения уточняют представления о созда­ваемом приборе. Так, например, на стадии НИР рассчи­тывают предварительный эффект, который является ос­новой для выбора наилучшего варианта. На стадии пла­нирования производства новой техники рассчитывают ожидаемый эффект, который отражают в нормативных и плановых показателях. На стадии внедрения рассчиты­вают фактический эффект новой техники, который «уточняет» расчетный эффект, масштабы внедрения, определяет условия стимулирования новой техники.

Технико-экономический анализ позволяет:

• обосновать наиболее рациональные направления и очередность развития или внедрения тех или иных СНК и Д;

• выбрать наиболее экономичные варианты созда­ния новых изделий, оборудования, производственных процессов, режимов эксплуатации оборудования;

• определить оптимальные объемы производства новых СНК и Д и области их рационального примене­ния;

• определить социальный эффект от внедрения СНК и Д.

Технико-экономическое обоснование должно со­держать краткое описание поставленной задачи и вари­анты ее возможных решений, оценку технической эф­фективности применения НК и Д, возможность повыше­ния надежности проконтролированных изделий.

В основу формирования эффективных систем НК и Д должен быть положен учет полезного результата при­менения системы и затрат на нее. За меру полезного ре­зультата может быть принято приращение надежности контролируемого объекта, обязанное устранению дефек­тов, выявленных данной системой. Затраты на систему должны учитывать не только стоимость собственно кон­троля и сопутствующих операций, но и убытки, связан­ные с возможной перебраковкой.

Изложенное понятие эффективности системы НК и Д отображается интегральным критерием эффективности характеризующим оотношение меры соответст­вия системы упомянутой цели (техническая эффективность) и указанных затрат символическая запись которого

Для расчета величины Gj как приращения DHj веро­ятности невозникновения аварийной ситуации относи­тельно исходного значения Н₀ необходимо знать: типы и виды дефектов которые могут встретиться в объекте, и их потенциальную опасность Р распределения f_ki (т) числа т дефектов D_ki объекте; вероятности обнаружения D_ki дефектоввариантами M_t входящими в систему.

В практике возможно возникновение одной или од­новременно нескольких ситуаций.

1.Неизвестны распределения При этом заменяется двумя значениями и где m- наи­более вероятное для данного объекта число дефектов D_ki.

2.Неизвестны точные значения потенциальных опасностей Р (A_ki), но известны коэффициенты опасно­сти г. При этом P(A_ki) заменяется приближенными зна­чениями Р *(A_ki):

где г_к - значение коэффициента опасности для дефектов D_ki;гmax - то же, для дефекта с максимальной потенци­альной опасностью Р (А_т).

3.Неизвестны Р (А_кi) и r_ki все дефекты условно распределены на два вида: допустимые и недопустимые. При этом первым приписывается Р (А_д) = 0, а вторым Р (А_н) =1.

4.Отсутствуют значения вероятностей P_доп(B_ki/M_t) для рассматриваемых объектов и им аналогичным. Тогда величины P_доп для каждого метода должны быть уста­новлены экспериментально.

Формулы для расчета Gj с учетом изложенных си­туаций приведены в табл. 8.

Затраты ЭS_i на систему С_i контроля определяются суммой стоимостей контроля (Э_ki) вспомогательных операций, сопутствующих контролю (Э_вi), и убытка из-за перебраковки (Э_пi), т.е.

ЭS_i = Э_ki + Э_вi + Э_пi

В особых случаях учитывают также убытки Э_ni из- за недобраковки объекта.

Затраты Э_ni возникают при:

• случайной перебраковке объекта, не содержащего никаких дефектов, из-за недостаточной помехозащи­щенности системы контроля; вероятность перебраковки P();

• вынужденной перебраковке объекта, содержащего допустимые дефекты, которые, однако, по данным сис­темы контроля не могут быть однозначно отнесены к допустимым. При этом вероятность перебраковки P()

определяется вероятностью образования таких дефектов в объекте.

Вероятности P(), P() могут быть установ­лены статистической обработкой данных контроля и ме­таллографического анализа.

При средней стоимости ремонта объекта F (стоимо­сти всего объекта, если дефекты в нем неустранимы), в котором обнаружен недопустимый дефект,

При средней стоимости J аварийной ситуации

где Hj- вероятность невозникновения аварийной си­туации в объекте после устранения в нем дефектов, вы­явленных системой Cj (см. формулы в табл. 8).

Интегральный критерий используют при решении следующих конкретных классов задач выбора и форми­рования эффективных систем НК.

1.Возникновение аварийной ситуации в объекте со­провождается катастрофой или убытками, несопоставимы­ми с убытками от перебраковки, т.е. задано некоторое, в настоящее время технико-экономически приемлемое зна­чение ЭS*. В этом случае величина Э_н неизвестна, посколь­ку неизвестны убытки J. Решение сводится к максимизации технической эффективности при ограниченных затратах

2.В связи с особой ответственностью объектов за­дано некоторое минимальное значение Hj, вероятности безаварийной работы объекта. При такой постановке затраты Э_н постоянны и задача решается минимизацией функции

ЭS_i = Э_ki + Э_вi + Э_пi

при технической эффективности не ниже заданного уровня:

3.Убытки Э_н от возникновения аварийной ситуации в объектах соизмеримы с убытками Э_п от перебраковки объекта.

Из систем НК и Д с равными или близкими мини­мальными значениями

Rj = ЭSj + Э_ну оптимальной бу­дет система с максимальной технической эффективно­стью DHj. Таким образом, R_рац = min(Э₂ + Э_н) и далее

К рассматриваемому классу задач относится также задача оптимизации параметров конкретного метода, когда затраты не критичны к значениям па­раметров. При этом допустимо ограничиться минимиза­цией функции

Может оказаться, что изложенным условиям удов­летворяют две или более систем. Тогда для выбора оп­тимальной из них следует воспользоваться дополнитель­ными экспертными оценками, например показателем обобщенной функции желательности.

Дата добавления: 2015-09-06