книги / Теория и методы решения многовариантных неформализованных задач выбора(с примерами из области сварки)

фективным инструментом проведения исследований на мо­ делях и поиска оптимальных решений сложных задач, в ко­ торых необходимо учитывать множество взаимосвязанных факторов.

В отношении моделирования и автоматизации исполь­ зование таблиц соответствий в качестве универсальной мо­ дели постановки задач выбора имеет несомненные достоин­ ства. Для ТС отсутствуют принципиальные ограничения по допустимым количествам рассматриваемых альтернативных решений, принимаемых во внимание факторов и их значе­ ний. Имеется возможность компактного представления больших объемов разнообразной информации независимо от того, в каком виде она зафиксирована в первоисточниках. В таблицах соответствий все их атрибуты кодируются, а язык таблиц максимально приближен к машинному. Это позволяет вводить модели в компьютер и автоматизировать решение задач.

Для объективной оценки уровня и возможности автома­ тизации решения задач сварки обзор отечественных разрабо­ ток был дополнен рассмотрением работ, проведенных в дру­ гих странах.

Начиная с 1980-х годов применение вычислительной техники во всех сферах промышленного производства стало в передовых зарубежных странах одним из главных приори­ тетов. Это относится и к сварочному производству, о чем свидетельствует резкий рост числа публикаций по соответст­ вующей тематике в реферативном журнале «Сварка» и со­ держание рефератов.

В рефератах иностранных статей содержится много ин­ тересных данных и фактов. Однако возможности воспользо­ ваться зарубежным опытом ограничены малым объемом ре­

фератов, практической недоступностью работы с подлинни­ ками из-за языкового барьера, а также несовместимостью иностранных и отечественных стандартов по материалам, оборудованию, терминологии и т.д. Несмотря на перечис­ ленные трудности, полезным является сопоставление неко­ торых статистических и качественных данных о компьютер­ ных системах, технологиях и тематических направлениях в нашей стране и за рубежом.

Из обзора иностранной литературы видно, что максимум публикаций по обсуждаемой тематике пришелся на вторую половину 1980-х годов, затем поток публикаций стал быстро уменьшаться. Вероятно, это можно объяснить тем, что в 80-х годах, когда развитие вычислительной техники достигло оп­ ределенного уровня, передовые страны сосредоточили свои усилия на создании программных средств для решения ши­ рокого круга задач в области сварки и внедрения их в про­ мышленное производство. Резко возросло число публикаций о разработанных компьютерных системах и их внедрении, а число статей научного содержания сократилось.

Об интенсивности работ по проблемам автоматизации, проводимых в передовых странах, свидетельствуют данные табл. 27. Можно сделать вывод, что в промышленно разви­ тых странах применению вычислительной техники для ре­ шения производственных задач сварки уделяется больше внимания, чем в нашей стране.

Еще одной примечательной особенностью развития авто­ матизации за рубежом в конце прошлого века явился переход к разработке и широкому использованию экспертных систем.

Судя по литературе, первые экспертные системы по те­ матике сварки были разработаны в Японии и США. Их дос­ тоинства были оценены чрезвычайно быстро и уже со второй

половины 1980-х годов они стали преобладающим видом программных средств, разрабатываемых в передовых зару­ бежных странах.

Таблица 27

Удельный вес публикаций по автоматизации решения типовых задач сварки

Статистика показывает, что число работ, посвященных экспертным системам, и после 1980-х годов продолжает ин­ тенсивно увеличиваться.

Появление информации о новых возможностях, которые открывает применение экспертных систем для автоматизации

решения сложных неформализованных задач, стимулировало интерес отечественных исследователей к овладению метода­ ми искусственного интеллекта.

Начальные сведения об идеях, методах создания и при­ менении экспертных систем специалисты прикладных облас­ тей смогли получить во второй половине 1980-х - начале

1990-х годов по значительному числу переведенных на рус­ ский язык монографий зарубежных авторов [47, 58, 72 и др.]

и нескольким отечественным изданиям [32,49, 69,91].

В сварочном производстве к первым публикациям по тематике экспертных систем можно отнести работы [84, 86] и некоторые другие.

В.А. Судник и В.А. Ерофеев разработали программные пакеты «Прогнозирование качества» при сварке плавлением и контактной сварке для выполнения вычислительных экспери­ ментов и математического моделирования соответствующих процессов [86]. Такие сложные компьютерные системы они рассматривают как «экспертные системы высокого уровня».

А.И. Стрельцов и А.А. Толкачев проиллюстрировали тех­ нологию построения экспертной программы на примере задачи выбора марки электрода для ручной дуговой сварки [84]. К со­ жалению, в дальнейшем они не использовали возможности но­ вого подхода к решению широкого круга задач сварки.

В Пермском НПО «Парма» под руководством Б.И. Ярушкина была разработана оболочка ЭС «САПР-Эксперт» уни­ версального назначения, на основе которой совместно

с Пермским политехническим институтом создан исследова­ тельский прототип системы выбора варианта сварки в за­ щитных газах [102].

В МГТУ им. Н.Э. Баумана создана ЭС типа «нейросеть» для моделирования процесса импульсно-дуговой сварки неплавящимся электродом в аргоне (Э.А. Гладков, А.В. Мало­ летков и др. [16]). Показано, что точность расчетов по по строенной системе превосходит точность аналогичной рег­ рессионной модели. Также уменьшаются затраты на прове­ дение экспериментов и время на обработку эксперименталь­ ных данных.

Ряд авторов указывает, что экспертные системы могут создаваться как для работы в автономном режиме в качест­ ве консультантов по решению отдельных профессиональных

задач, так и в качестве подсистем САПР для синтеза некото­ рых проектных решений. В этом контексте можно говорить об интеллектуализации традиционных САПР как одном из направлений совершенствования автоматизированных сис­ тем. Применительно к задачам сварочного производства та­ кой подход подробно проанализирован А.С. Бабкиным [4].

Несмотря на перечисленные и другие имеющиеся разра­ ботки и публикации по тематике экспертных систем, мас­ штабы применения новых компьютерных методов решения задач сварки отстают от уровня индустриально развитых стран. Косвенным, но наглядным подтверждением этого мо­ жет служить такой факт: по проведенным подсчетам процент публикаций, в тематике которых присутствуют сведения об экспертных системах, за последние 15 лет составил: в рус­ скоязычной литературе 12,8 %, в иностранной - 50,9 %.

В России пока не создано коммерческих систем для ши­ рокого круга пользователей. Есть несколько промышленных образцов ЭС (разработки Тульского и Волгоградского ГТУ), но они пока по-настоящему не востребованы промыш­ ленностью. На уровне исследовательских прототипов нахо­ дятся ЭС преимущественно учебного назначения, разрабо­ танные в некоторых других вузах. Сведения о них крайне ограничены.

В странах СНГ наибольших успехов в создании эксперт­ ных систем для сварщиков добились сотрудники ИЭС им. О.Е. Патона. Первой работой стал аналитический образ за­ рубежных систем для сварщиков, подготовленный группой со­ трудников под руководством академика В.И. Махненко [101].

В дальнейшем Г.Ю. Сапрыкиной была разработана ЭС по сварке сталей под флюсом [78]. Используя информацию, введенную в базы данных и знаний, система предоставляет

возможность в диалоговом режиме разрабатывать техноло­ гию сварки для заданных исходных данных.

Группа сотрудников - П.В. Гладкий, В.Ф. Демченко

И.А. Рябцев, С.С. Козлитина и др. - на протяжении ряда лет занималась разработкой, а затем совершенствованием экс­ пертных систем по технологии электродуговой наплавки [100, 25]. При этом центральной задачей являлся выбор на­ плавочных материалов.

В обзоре информационных компьютерных систем, раз­ работанных в ИЭС им. Е.О. Патона [26], упоминается также экспертная система проектирования технологий сварки лег­ ких сплавов. Как и для других ЭС, дается краткая характери­ стика структуры системы, содержания баз данных и работы пользователя. К сожалению, не поясняется, чем принципи­ ально отличаются такие ЭС от ранее создававшихся инфор­ мационных систем, как решается проблема неоднозначности рекомендаций, генерируемых системой.

Ученые Белоруссии были в числе первых отечественных исследователей, начавших системно заниматься вопросами применения вычислительной техники для решения задач сварки. С конца 1960-х годов до начала 2000-х центром про­ ведения таких работ являлся Институт технической киберне­ тики (ИТК) АН Белоруссии. Здесь были разработаны основы

автоматизации технологической подготовки производства сварных конструкций [8, 57], созданы первые САПР ТПС универсального назначения [31], основанные на челове­ комашинном диалоговом решении конструкторско-техноло­ гических задач. Среди последних преобладают задачи выбо­ ра: выбор последовательности и содержания операций и пе­ реходов, выбор способа сварки, сварочных материалов, сва­ рочного и механического оборудования и т.п.

Первоначально белорусские исследователи ориентиро­ вались на разработанную Г.К. Горанским и его сотрудниками методику моделирования задач выбора с помощью таблиц соответствий и граф-схем алгоритмов выбора решений [3, 20]. В этой связи следует отметить большое методологиче­ ское значение статьи Н.Ю. Мухамедова и др. [57], авто­ ры которой на примере задачи выбора способа сварки пока­ зали различные аспекты моделирования сложных многоаль­ тернативных многофакторных задач. В дальнейшем реше­ ние этой задачи анализировали и другие исследователи [35, 42, 65, 102].

Опыт автоматизации решения неформализованных задач

рочно-сварочного производства: формализация исходной ин­ формации, методика и алгоритмы проектирования технологи­ ческих процессов, моделирование принятия проектных реше­ ний. В последней главе книги приведено описание САПР ТПС, разработанной автором совместно с Г.А. Ивановым.

Для задач расчетного типа, к которым отнесены расчеты параметров режимов сварки, технических норм времени на сбо­ рочно-сварочные и сопутствующие операции и норм расхода сварочных материалов, приведены соответствующие расчетные формулы с необходимыми пояснениями. В основу подхода к решению остальных задач (неформализованных, преимущест­ венно задач выбора) положен теоретико-множественный ана­ лиз. Большинство рассматриваемых параметров исследователи представляют в виде множеств и анализируют соответствия между множествами элементов входных и выходных парамет­ ров. В результате синтезируют алгоритмы решения задач.

С точки зрения методики решения задач наиболее инте­ ресными в работе [83] являются предложения автора по при­ менению в САПР элементов искусственного интеллекта и экс­ пертных систем. Этот вопрос проиллюстрирован для задач определения последовательности сборки сварных конструк­ ций, выбора способа сварки, типа стыкового шва и марки электрода для ручной сварки, а в целом - на примере автома­ тизации решения задач технологии сварки двухслойных ста­ лей.

Продолжение всего комплекса работ по автоматизации технологической подготовки сборочно-сварочного производ­ ства в настоящее время проводится в Научно-исследовате­ льском и конструкторско-технологическом институте сварки и защитных покрытий (НИКТИС), являющемся головной ор­ ганизацией Республики Беларусь в области сварки. Здесь группа сотрудников во главе с Г.А. Ивановым активно зани­ мается дальнейшим совершенствованием и производствен­ ным внедрением САПР ТПС, разработанной в Институте тех­ нической кибернетики (ИТК). В отличие от большинства отечественных САПР аналогичного назначения, в данной системе для решения проектных задач используются элемен­ ты искусственного интеллекта. Соответственно вместо базы данных функционирует база данных и знаний.

Вряде публикаций Г.А. Иванова и В.Н. Прончевой по­ казан современный уровень автоматизации решения типовых задач технологической подготовки производства сварных конструкций [29, 30 и др.].

Вобзоре литературы по автоматизации нельзя не упо­ мянуть о работах С.В. Медведева (ИТК НАН Беларуси), ко­ торый на протяжении длительного времени целенаправленно занимается вопросами компьютерного проектирования сбо­

рочно-сварочной оснастки. Такое проектирование требует решения комплекса разнообразных задач методологического, конструкторского, системотехнического и иного характера с целевой ориентацией на объект проектирования, то есть сборочно-сварочной оснастки. В своей монографии [53] С.В. Медведев развивает выдвинутый Н.О. Окербломом принцип конструктивно-технологического проектирования сварных конструкций [63], считая возможным и целесооб­ разным параллельное выполнение этапов конструирования

сварных узлов, разработки технологии их изготовления и проектирования соответствующей сборочно-сварочной ос­ настки. Применительно к решению отдельных задач это оз­ начает, что проектировщики сварных конструкций и оснаст­ ки должны в максимальной степени учитывать требования технологичности и экономичности конструкций, возможно­ сти применения прогрессивных технологических приемов и операций, учитывать существование напряжений и дефор­ маций от сварки. В свою очередь, технологи должны инфор­ мировать конструкторов о влиянии конструкторских реше­ ний на технологию изготовления конструкций, о технологи­ ческих возможностях производства и тем самым способство­ вать повышению технологичности конструкций.

Главным достижением автора книги [53] можно считать разработку концепции построения компьютерных систем конструктивно-технологической подготовки сборочно-сва­ рочных производств, разработку и промышленное внедрение специальных методов автоматизированного конструирования систем технологического оснащения.

Несмотря на отмеченное выше снижение интенсивности выполнения работ по созданию и внедрению новых автома­ тизированных систем, прогресс в работах по автоматизации

решения различных задач не прекращался. Как видно из пуб­ ликаций, исследователи берутся за решение все более слож­ ных задач, все шире используют математическое моделиро­ вание изучаемых объектов и процессов и современные ком­ пьютерные технологии решения задач. В таком аспекте мож­ но говорить о стирании принципиальных различий между понятиями «задача» и «проблема».

Это можно показать на примере применяемой сварщи­ ками оценки свариваемости металлов - характеристики, зна­ ние которой необходимо для правильного выбора материала сварной конструкции и параметров технологии сварки.

На протяжении длительного времени уровень сваривае­ мости конструкционного материала оценивался качествен­ ными характеристиками - хорошая, удовлетворительная, ограниченная и плохая свариваемость - или с помощью на­ турных испытаний образцов. Для углеродистых и низко­ легированных сталей применяется также расчет величины эквивалента углерода, характеризующего склонность стали к закалке и образованию холодных трещин при сварке (опре­ деляется по химсоставу металла).

Практика показала, что применительно к ответственным сварным конструкциям такая оценка является недостаточной. В современном понимании свариваемость следует рассматри­ вать как сложную комплексную характеристику, зависящую не только от самого свариваемого материала, но и от применяемой технологии сварки, конструктивного оформления сварного со­ единения и требований к конструкции при ее эксплуатации. О сложности точной оценки свариваемости говорит тот факт, что этому вопросу посвящено несколько монографий отечест­ венных и зарубежных исследователей [52 и др. ].