Оптимизация комплекса инженерно-геодезических работ при монтаже технологического оборудования инженерных объектов

D = , (16)

где D - обобщённая функция желательности задаётся как среднее геометрическое частных желательностей и является количественным, однозначным и универсальным показателем качества для выбранного средства измерений.

Для предсказывания значений откликов в тех состояниях, которые не изучались экспериментально, принималось предположение о некоторых свойствах математической модели - непрерывность поверхности отклика, её гладкость и наличие единственного оптимума. Эти условия позволили представить изучаемую математическую модель в виде степенного ряда в окрестности любой возможной точки факторного пространства. Для выбора области эксперимента на основе априорной информации были установлены границы определения факторов (выбор основных уровней и интервалов варьирования). С целью определения численных значений коэффициентов полинома для каждой категории контроля выполнен полный факторный эксперимент, в котором реализовывались все возможные сочетания уровней 2⁴ (так, например, в таблице 3 представлена матрица планирования для 2 категории контроля: Т_к - точность метода, ТР_к - трудоёмкость контроля, И_к - квалификация исполнителя, Э_р - экономические ресурсы). Проверка однородности дисперсий осуществлялась на основе критерия Кохнера (G =0,289; при табличном значении 0,679 и уровне значимости 0,05); вычисление коэффициентов модели и обработка результатов - на основе метода наименьших квадратов. Для проверки используемой математической модели на адекватность вычислялось значение дисперсии адекватности (S²_адек.= 0,00387; F-критерий Фишера для проверки гипотезы адекватности модели составил 1,84 при табличном значении 4,1). Проверка значимости коэффициентов модели выполнялась с помощью критерия Стьюдента.

Таблица 3 - Порядок проведения и результаты опытов, матрица планирования для 2 категории контроля (в кодированных значениях)

Интерпретация построенных математических моделей осуществлялась в результате оценки величины и направления влияния входных факторов и их взаимодействия, сопоставления влияния совокупности факторов, проверку априорной информации. Были получены математические модели (эффективность геодезического средства измерений) для всех 4 категорий контроля; так, например, математическая модель для 2 категории контроля имеет вид:

Н_{мет. 2} = 1,1788 + 0,0412 Т_к + 0,0975 ТР_к + 0,0862 И_к + 0,1575 Э_р . (17)

В результате выполненных исследований на основе полного факторного эксперимента было получено важное методическое решение: при назначении точности геодезических измерений для технологического оборудования прецизионных объектов (1 и 2 категории контроля) необходимо учитывать коэффициенты важности влияния отдельных факторов. Это было осуществлено методом подбора коэффициентов важности факторов на основании логической оценки влияния факторов и значимости коэффициентов математической модели. В нашем случае было принято решение: точность измерений - 5, квалификация исполнителя - 2, трудоёмкость документации контроля - 2, экономические ресурсы - 1. При монтаже технологического оборудования инженерных объектов, где точность геодезических измерений невысока (металлургические и цементные заводы, прокатные станы и т. п.) - оправдано действуют принципы «равного влияния» и «ничтожно малого влияния». Полученные в результате исследований интервалы варьирования фактора точности используются при назначении различных категорий контроля.

В четвертом разделе «Технологические решения по разработке экспертной системы для оптимального геодезического обеспечения инженерных объектов» рассмотрены технологические вопросы разработки и моделирования работы геодезической информационной экспертной системы. По своему содержанию экспертная система (ЭС) представляет высший уровень организации информационной системы, поскольку является «активной»; при обращении к экспертной системе для выработки решения задействуются все «знания», относящиеся ко всей проблемной области. В процессе разработки экспертной системы для геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования использовались преимущества компонентной технологии, где компонента - это готовый исполняемый программный модуль, реализующий чётко определённые функции. Сам процесс разработки ЭС являлся итеративным с пошаговым наращиванием возможностей системы - в результате успешных итераций добавлялись новые детали, при необходимости вводились изменения и усовершенствования.

В качестве первой компоненты для разработки экспертной системы послужила инструментальная среда реляционных баз данных MS Access2003. Разработана и создана структура, предложены концептуальные понятия базы данных; определено их функциональное содержание. На рисунке 7 представлена инфологическая модель разработанной базы данных ЭС.

В качестве второй компоненты информационной экспертной системы использовалась «пустая» инструментальная оболочка CLIPS. Существующая в настоящее время версия (6.21, 2002 г.) может эксплуатироваться на платформах UNIX, DOS, Windows и Macintosh и является хорошо документированным и доступным программным продуктом.

Рисунок 7 - Инфологическая модель базы данных экспертной системы

С точки зрения разработки экспертных систем CLIPS очень удобен, так как позволяет проводить полный цикл создания ЭС без привлечения каких-либо других инструментов, предоставляя при этом мощные возможности по отладке экспертной системы. Для конечного пользователя наиболее важным является наглядность и удобство работы с интерфейсом ЭС. Стандартная инструментальная среда CLIPS не обеспечивает таких возможностей; данная задача была решена расширением функциональных возможностей CLIPS в результате разработки специального приложения: CLIPSmod - «Модифицированный CLIPS». В результате появились такие возможности, как:

- возможность добавления функций для построения пользовательского интерфейса информационной экспертной системы из самой ЭС (на данный момент создано 24 дополнительные команды, разнесённые по их назначению в три группы: для создания элементов интерфейса и управления ими; для реализации диалога с пользователем ЭС; для работы с базами данных);

- возможность создания различных по назначению модулей «базы знаний ЭС; в качестве примера представлен фрагмент разработанного с использованием CLIPSmod модуля «базы знаний» экспертной системы (рисунок 8);

- обеспечение доступа из самой ЭС к базам данных.

Рисунок 8 - Фрагмент модуля «базы знаний» экспертной системы по виду контролируемого параметра при монтаже оборудования РЗМ

В качестве третьей компоненты информационной экспертной системы использована инструментальная среда MS PowerPoint. Её основное назначение - возможность наглядного представления файлов (графических, текстовых и др.) для визуального представления знаний в «базе знаний» экспертной системы.

Архитектура программной среды информационной экспертной системы формировалась последовательно на основе решений, относящихся к логическому уровню, уровням реализации и уровням выполнения. Для проверки результатов, полученных для разных уровней архитектуры, разработаны различные модели на основе языка визуального моделирования UML. С этой целью выполнено моделирование различных этапов разработки и реализации экспертной системы в инструментальной среде Rational Rose 2002 на основе языка UML. Осуществлена последовательная реализация создания отдельных модулей экспертной системы, объединения их в одну систему и тестирование на основе построенных различных диаграмм. Для достижения этих целей были построены и документированы следующие диаграммы вариантов использования: этап разработки экспертной системы (рисунок 9); этапы реализации, выбора геодезических методов и средств измерений и этап оптимизации для выбранных средств измерений; диаграмма последовательности при решении задачи оптимального выбора геодезических методов и средств измерений для конкретных производственных условий (рисунок 10). По существу, разработка модели диаграммы последовательности явилась в дальнейшем основой для разработки технологической схемы оптимального выбора методов и средств геодезических измерений, а документированные материалы вариантов использования послужили для детальной проработки отдельных этапов.

Рисунок 9 - Модель варианта использования для этапа разработки ЭС

Ключевым моментом при разработке ЭС является разработка «базы знаний» предметной области. Для эксперта - источниками знаний служат его предшествующий опыт по решению подобных задач, для инженера по знаниям - методы представления знаний и манипулирования ими, программные и инструментальные средства, опыт в решении аналогичных задач. Создание модели предметной области, включающей основные концепты и отношения, осуществлено на этапе концептуализации в результате содержательного анализа проблемной области и выявления всех используемых понятий и их взаимосвязей, а также методов решения задач. На данном этапе были определены: типы доступных данных; исходные и выводимые данные; виды взаимосвязей между объектами; используемые стратегии и гипотезы; типы используемых отношений (иерархия, причина - следствие, часть - целое и т.п.); процессы, используемые в ходе решения; состав знаний для решения задачи и обоснования решения; типы ограничений, накладываемых на процессы, используемые в ходе решения.

Рисунок 10 - Фрагмент модели диаграммы последовательности для решения задачи оптимального выбора методов и средств геодезических измерений

Структуризация «базы знаний» в диссертации осуществлена на основе алгоритма объектно-структурного анализа предметной области (ОСА), предполагающего выделение следующих когнитивных элементов знаний: понятия, взаимосвязи, метапонятия, семантические отношения, которые должны образовывать систему, обладающую свойствами уникальности, полноты, достоверности и непротиворечивости. В области геодезического контроля геометрических параметров при монтаже технологического оборудования этими понятиями являются: объекты контроля, вид геометрического параметра, методы контроля и точность, методы и средства геодезических измерений, квалификация исполнителей и документация контроля и их взаимозависимость. В результате упорядочивания процедуры структурирования знаний была разработана матрица ОСА, в которой вся собранная информация последовательно дезагрегировалась по слоям-стратам (вертикальный анализ), а затем по уровням - от уровня проблемы до уровня подзадачи (горизонтальный).

Следует отметить, что исходной основой для разработки «базы знаний» ЭС послужили работы учёных: В.Д. Большакова, П.И. Барана, Н.Г. Видуева, И.Ю. Васютинского, Ю.П. Гуляева, В.А. Горелова, Т.К. Даниленко, В.С. Дёмина, Б.Н. Жукова, А.В. Зацаринного, Е.Б. Клюшина, Н.Н. Лебедева, Г. П. Левчука, В.Е. Новака, Ю.В. Полищука, Ю.И. Пимшина, М.Е. Пискунова, Г.Е. Рязанцева, Х.К. Ямбаева и др.

Особое внимание на стадиях получения и структурирования «базы знаний» было уделено формированию «поля знаний» P_z - описанию основных понятий предметной области и взаимосвязей между ними, выявленных на основе детального изучения научной, технической и справочной литературы и организованного опроса экспертов. Поле знаний представлено как семиотическая модель, синтаксическая структура которой имеет вид:

P_z = (I, O, М ) , (18)

где I - структура исходных данных, подлежащих обработке и интерпретации в экспертной системе; О - структура выходных данных, то есть результат работы системы; М - операциональная модель предметной области.

Операциональная модель М представлена как совокупность концептуальной структуры S_k , отражающей понятийную структуру предметной области (рисунок 11) и функциональной структуры S_f , моделирующей схему рассуждений и принятия решения:

М = (S_k , S_f ). (19)

Структура S_f включает понятия предметной области и моделирует основные функциональные связи или отношения между понятиями, образующими S_k . Эти связи отражают модель или стратегию принятия решения в выбранной предметной области. Таким образом, S_f образует стратегическую составляющую М, которая часто имеет форму простой таблицы решений.

При использовании разработанной информационной экспертной системы решаются две принципиально важные задачи.

1. Оптимальный выбор методов и средств измерений при проектировании геодезических работ для монтажа технологического оборудования крупных установок и промышленных комплексов.

2. Наделение пользователя необходимыми знаниями о выбранном средстве измерений, его особенностях и возможностях, условиях применения в конкретных производственных условиях.

Выбор типа контролируемого параметра, назначение точности контроля и диапазона измерений с последующей выборкой методов и средств геодезических измерений отражается на экране компьютера и в любой момент может быть напечатано на принтере. Предусмотрено поэтапное объяснение принятия решения с возможностью просмотра в окне вывода, распечаткой на принтере и возвратом на предыдущие уровни. Процесс оптимизации выбора методов и средств геодезических измерений реализуется на основе разработанной технологической схемы (положенной в основу работы ЭС) с использованием модуля внешнего управления - «динамический дизайнер форм» (рисунок 12) в следующей последовательности:

- выбор объекта контроля: технологическое оборудование ускорителей заряженных частиц, энергетических объектов, цементных и металлургических заводов, предприятий машиностроения и т. д.;

- выбор категории контроля, точности геодезических измерений, квалификации исполнителей, экономических ресурсов;

- вычисление значения параметра оптимизации для различных геодезических методов и средств измерений;

- учёт влияния внешних и производственных условий;

- расчёт трудоёмкости использования выбранных средств измерений;

- окончательный выбор средства измерений и обоснование выбора на основе прописанных в «базе знаний» объяснений (рисунок 13).

Рисунок 11 - Фрагмент концептуальной составляющей S_k поля знаний экспертной системы для геодезического обеспечения инженерных объектов

Рисунок 12 - Модуль внешнего управления процессом оптимизации выбора средств измерений - «динамический дизайнер форм»

Вторая задача - это наделение пользователя необходимыми знаниями в режиме консультирования о выбранном средстве измерений, его особенностях, возможностях и условиях применения в конкретных производственных условиях. Возможность модульного представления знаний в инструментальной оболочке CLIPS позволило решить данную задачу созданием отдельных модулей, содержащих знания о различных средствах измерений, последовательности выполнения работ на различных технологических линиях. Процесс получения знаний осуществляется в диалоговом режиме с пользователем. Далее возможно тестирование знаний, полученных в процессе обучения: экспертная система сама определяет степень подготовки пользователя, задавая ему вопросы и по завершении тестирования информирует, какие из предложенных вопросов вызвали затруднение, что позволяет пользователю самому сделать вывод, над какими разделами ему ещё стоит поработать.

Рисунок 13 - Окончательный выбор средства измерений ЭС

В пятом разделе «Разработка и исследование новых устройств для геодезических измерений при контроле геометрических параметров элементов технологического оборудования» рассмотрены новые устройства для геодезических измерений при монтаже технологического оборудования, процесс разработки которых предусматривается практически всегда при проектировании ответственных инженерных объектов.

Для контроля прямолинейности (рисунок 14) разработано устройство (Авт. св. СССР, № 1573342), в котором стабилизация положения опорной прямой из-за ухода диаграммы направленности лазерного излучения осуществляется инструментальным путем непосредственно у лазерного излучателя.

Рисунок 14 - Устройство для контроля прямолинейности

Для контроля прямолинейности и плоскостности поверхностей крупногабаритного оборудования может быть использован лазерный нивелир, представленный на рисунке 15 (Авт. св. СССР, № 1649261).

Рисунок 15 - Устройство для контроля прямолинейности и плоскостности

При монтаже элементов технологического оборудования одной из наиболее сложных задач является определение взаимного положения объектов. Одним из специальных приборов (рисунок 16) для решения данной задачи является устройство (Авт. св. СССР № 1693374) для контроля параллельности осей объектов, позволяющее одновременно выполнять определение угловых величин уклонений объектов от параллельности и смещения осей этих же объектов от номинального расстояния между ними.

Одно из основных достоинств АЭС с реакторами канального типа является их работа без снижения мощности при замене ядерного топлива - тепловыделяющих сборок (ТВС). Перегрузка топлива - сложный процесс; геометрические параметры и взаимное пространственное положение компонентов оборудования и сооружений в момент перегрузки, участвующих в этом процессе, строго определены в нормативных документах. Разработанный автоматизированный стенд контроля прямолинейности (рисунок 17) подвесок может быть использован для бесконтактного метода измерений при входном контроле для выбраковки подвесок с недопустимыми отклонениями от прямолинейности, а также для проверки изделия непосредственно перед его загрузкой в реактор (патент РФ на изобретение № 2242713).

Рисунок 16 - Устройство для контроля параллельности осей объектов

Все разработанные автором устройства внесены в «базу знаний» разработанной информационной экспертной системы.

Рисунок 17 - Автоматизированный стенд контроля и схема измерения прямолинейности подвесок

Заключение

1. С позиции системного подхода дана оценка состояния проблемы оптимального проектирования геодезических методов и средств измерений на примере монтажа технологического оборудования инженерных объектов, как одного из наиболее сложных процессов в практике инженерно-геодезических работ. Впервые в геодезической практике разработана геодезическая информационная экспертная система для оперативного принятия решения в существующих условиях производства с целью оптимального выбора геодезических методов и средств измерений при решении производственных задач, наделения пользователей ЭС необходимыми знаниями на новой методологической и технологической информационной основе.

2. Разработаны методологические принципы создания и реализации геодезической информационной экспертной системы:

- разработано структурно-функциональное содержание информационной экспертной системы для оптимизации геодезического обеспечения на примере монтажа технологического оборудования инженерных объектов;

- выполнено обоснование необходимого набора функций, инструментальных компонент и структуры программного обеспечения для реализации информационной экспертной системы;

- на основе системного анализа геодезического обеспечения инженерных объектов в совокупности с геодезическими методами и средствами измерений предложены методологические основы построения «базы знаний» и базы данных информационной экспертной системы для оптимального выбора методов и средств геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования;

- выполнена систематизация достигнутого уровня научного и практического знания в области геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования, которая реализована в виде разработанных базы данных и «базы знаний» в структуре информационной экспертной системы;

- предложены принципы назначения точности геодезических измерений, категории и методы геодезического контроля в зависимости от типа технологического оборудования и степени его ответственности; разработаны основные признаки для назначения различных категорий и методов контроля;

- обоснованы и реализованы условия оптимизации выбора методов и средств геодезических измерений на основе многофакторного эксперимента;

- разработан и реализован отдельный модуль информационной экспертной системы для обучения и тестирования знаний пользователя для выбранных средств измерений.

3. Выполнены теоретические решения:

- найдены математические выражения метода и способа геодезических измерений для их представления в информационной экспертной системе; математические модели эффективности использования геодезического средства измерений для различных категорий контроля;

- даны теоретические положения оптимизации геодезического обеспечения для реализации технологической схемы оптимального выбора методов и средств геодезических измерений при монтаже технологического оборудования инженерных объектов;

- обосновано решение задачи построения «обобщённого» показателя качества средства измерений в зависимости от влияния технологических и производственных факторов;

- решена задача назначения точности геодезических измерений для случая аварийного состояния технологического оборудования.

4. Разработана технологическая схема оптимального выбора методов и средства геодезических измерений для контроля геометрических параметров при монтаже технологического оборудования, реализуемая в разработанной информационной экспертной системе и собственный интерфейс ЭС.

5. Найдены важные методические решения:

- реализация решения проблемы осуществлена на основе разработанной информационной экспертной системы для оперативного принятия решения в условиях существующего производства;

- выбрана математическая модель и определены факторы оптимизации, которые необходимо учитывать при выборе методов и средств геодезических измерений;

- показан и осуществлен процесс создания информационной экспертной системы на основе моделирования этапов разработки и реализации с применением языка визуального моделирования UML;

- реализована методика оценивания методов и средств геодезических измерений на основе метода экспертных оценок.

6. Разработаны новые устройства для геодезических измерений прямолинейности, параллельности, перпендикулярности, горизонтальности при контроле геометрических параметров формы и расположения элементов технологического оборудования.

Список основных научных работ, опубликованных по теме диссертации

1. А.с. 1100498 СССР, МКИ³, G 01 В 11\30. Устройство для контроля прямолинейности и соосности [Текст] / В.С. Хорошилов, Х.К. Ямбаев (СССР). - № 3563118; заявл. 18.03.83; опубл. 30.06.84, Бюл. № 24. - 3 с.: ил.

2. Хорошилов, В.С. К вопросу о точности изготовления составных зонных марок для контроля прямолинейности протяжённых технологических линий [Текст] / В.С. Хорошилов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - 1985. - № 4. - С. 44-49.

3. А.с. 1515047 СССР, МКИ³, G 01 В 15\00. Спектральная зонная марка [Текст] / Ю.И. Пимшин, В.С. Хорошилов, В.М. Украинко (СССР). - № 4210474; заявл. 22.01.87; опубл. 15.10.89, Бюл. № 38. - 3 с.: ил.

4. А.с. 1459395 СССР, МКИ³, G 01 В 11\30. Дифракционный створофиксатор [Текст] / Ю.И. Пимшин, В.М. Украинко, В.С. Хорошилов (СССР). - № 4200234; заявл. 7.01.87.

5. А.с. 1573342 СССР, МКИ³, G 01 В 11\24. Устройство для контроля прямолинейности [Текст] / Ю.И. Пимшин, В.С. Хорошилов, Ж.А. Хорошилова (СССР). - № 4418266; заявл. 29.04.88; опубл. 23.06.90, Бюл. № 23. - 3 с.: ил.

6. А.с. 1693374 СССР, МКИ³, G 01В 11\30. Устройство для контроля параллельности осей объектов [Текст] / В.С. Хорошилов, Ю.И. Пимшин СССР). - № 4710717; заявл. 26.06.89; опубл. 23.11.91, Бюл. № 43. - 3 с.: ил.

7. А.с. 1649261 СССР, МКИ³, G 01 В 11\24. Устройство для контроля отклонений от прямолинейности [Текст] / Ю.И. Пимшин, В.С. Хорошилов, А.В. Никитин (СССР). - № 4457304; заявл. 7.07.88; опубл. 15.05.91, Бюл. № 18. - 4 с.: ил.

8. Пат. 2242713 Российская Федерация, МПК⁷, G 01 В 11/24. Автоматизированный стенд контроля прямолинейности подвесок [Текст] / В.С. Хорошилов; заявитель и патентообладатель Хорошилов В.С. - № 2000103380; заявл. 10.02.2000; опубл. 20.12.04, Бюл. № 35. - 3 с.: ил.

9. Хорошилов, В.С. Методология применения экспертной системы оптимального выбора методов и средств измерений для монтажа технологического оборудования [Текст] / В.С. Хорошилов // Изв. вузов. Горный журнал / Екатеринбург. - 2005. - № 6. - С. 23-28.

10. Хорошилов, В.С. Проектирование модели реляционной базы данных в структуре информационной системы «Геодезические работы при монтаже технологического оборудования» [Текст] / В.С. Хорошилов, Т.В. Жежко // ГЕО-Сибирь-2005. Т.1. Геодезия, картография, маркшейдерия: сб. материалов науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2005», 25-29 апр. 2005г.- Новосибирск: СГГА, 2005. - С. 115-119.

11. Хорошилов, В.С. Некоторые аспекты разработки информационной системы для проектирования геодезических методов и средств измерений при монтаже технологического оборудования [Текст] / В.С. Хорошилов // Изв. вузов. Горный журнал / Екатеринбург. - 2006. - № 1. - С. 95-99.

12. Хорошилов, В.С. Применение метода экспертных оценок для обоснования показателя «выходного качества» применяемых геодезических методов измерений при монтаже технологического оборудования [Текст] / В.С. Хорошилов // Изв. вузов. Горный журнал / Екатеринбург. - 2006. - № 2. - С. 72-76.

13. Хорошилов, В.С. Методологические основы применения экспертной системы для оптимального выбора методов и средств измерений при монтаже технологического оборудования [Текст] / В.С. Хорошилов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2006. - № 3. - С. 14-25.

14. Хорошилов, В.С. Основные компоненты экспертной информационной системы оптимального выбора геодезического метода и средств измерений при монтаже технологического оборудования [Текст] / В.С. Хорошилов // Изв. вузов. Горный журнал / Екатеринбург. - 2006. - № 3. - С. 66-69.

15. Хорошилов, В.С. Методология реализации информационной системы «Геодезические работы при монтаже технологического оборудования» [Текст] / В.С. Хорошилов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2007. - № 1. - С. 154-162.

16. Хорошилов, В.С. Решение задачи оптимального выбора методов и средств геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов [Текст] / В.С. Хорошилов // Изв. вузов. Горный журнал / Екатеринбург. - 2007. - № 3. - С. 37-43.

17. Хорошилов, В.С. Основные этапы проектирования экспертной информационной системы для оптимального выбора геодезических методов и средств измерений [Текст] / В.С. Хорошилов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2007. - № 2. - С. 46-54.

18. Хорошилов, В.С. О разработке информационной экспертной системы для оптимального геодезического обеспечения инженерных объектов [Текст] / В.С. Хорошилов // М. - Геодезия и картография. - 2008. - № 5. - С.15-19.

19. Хорошилов, В.С. Структурно-функциональное содержание и этапы реализации информационной экспертной системы для оптимального геодезического обеспечения инженерных объектов [Текст] В.С. Хорошилов // Изв. вузов. Горный журнал / Екатеринбург. - 2008. - № 5. - С. 37-43.

Размещено на Allbest.ru