Geri Dön

Atölye tipi üretim için benzetim amaçlı uzman sistem

Ein simulierendes expertensystem für die werkstattfertigung

  1. Tez No: 39868
  2. Yazar: TÜLİN ARAZ
  3. Danışmanlar: PROF.DR. MURAT DİNÇMEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği, Industrial and Industrial Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 1993
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 231

Özet

ÖZET Bilgi tabanla sistemler olarak da adlandırılan uzman sistemlerin gelişmesi, benzetim tekniğinin etkinliğini de artırmaktadır. Uzman sistemler benzetim modellerinin ku rulmasında, benzetim deneylerinin yapılmasında ve sonuçla rın yorumlanmasında kullanıcıya büyük yararlar sağlamakta dır. Bu çalışmada da atölye tipi üretim için aşağıda ta nımlanan görevleri yerine getiren, PROLOG diliyle bir uz man sistem paketi geliştirilmiştir. Yazılım paketi üç alt sistemden oluşmaktadır: - UZMAN BENZETİM - UZMAN ÇIKARIM - UZMAN KARAR DESTEK UZMAN BENZETİM, etkileşimli diyalog yaklaşımıyla gerçek atölye ortamını algılamakta ve bilgi tabanını oluş turmaktadır. Etkileşimli kullanıcı diyalogu ile sağlanan benzetim süresi, iş geliş dağılım tipi, modele uygulanacak strateji gibi benzetim bilgilerini kullanarak deneyleri yapmaktadır. UZMAN ÇIKARIM, etkileşimli diyalog ile değerlendirme ölçütlerinin ayrıntılı analizini grafik gösterimlerle ver mektedir. Benzetim sonunda atölye durumunu gösteren bilgi tabanını sorgulamakta ve sonuçları yorumlayarak yeni deney planlarını önermektedir. UZMAN KARAR DESTEK, kullanıcıya varmak istediği he defle ilgili önerilerde bulunmaktadır. Benzetimin özelli ği nedeniyle, bu öneriler karar seçeneklerinin göreli ola rak en iyisini önerme şeklinde olmaktadır. Geliştirilen paketin uygulanmasında yatırım kararla rı sınanmıştır. özellikle yeni teknojilere geçişte CNC tezgahları esnek üretim sistemlerinin en altında yer al maktadır. Bu nedenle yatırım seçeneklerini CNC tezgahları o 1 uş turmuş tur. Geliştirilen uzman sistem paketi, hiç programlama bilgisi olmayan ve benzetimi iyi bilmeyen kişiler tarafın dan, hızlı ve doğru kararlar vermek amacıyla kolaylıkla kullanılabilen etkileşimli bir yazılımdır. vııı

Özet (Çeviri)

ZUSAMMENFASSUNG EIN SIMULIERENDES EXPERTENSYSTEM FUR DIE WERKSTATTFERT I GUNG Die einzeln oder in kleinen Serien erfolgende Be- arbeitung von sehr unterschiedlichen Werkstiicken an üni verseli en Fertigungseinrichtungen nennen wir als Werk- stattfertigung. Die Verschiedenartigkeit der Nachfragen bei dieser Fertigungsart erschwert die Planungs- und Kont rol ltâtigkeiten. Aus diesem Grund ist, trotz der Anpas- sungsfâhigkeit an Erzeugnissvielfâltigkeit, die Reakti- onsgeschwindigkeit und Ertragsfâhigkeit relativ gering. Eine relative Erhöhung der Produktivitât bei Werkstattfer- tigungen ist aber möglich. Mit der Einführung der Compu- tertechnologie und durch den Gebrauch der Simulationstech- nik wird die Wirkung der Strategien auf die Produktivitât, wie Arbeitsprioritâten, Gruppentechnologie, Losspl ittung, Losüberlappung und belastungsorientierte Auftragsfreiga- be, vorausschaubar. Bei der Fliessf ertigung, wo ein bestimmtes Produkt durch ein sich wiederholendes Verfahren in grossen Mengen hergestellt wird, wird die Produktvielfâltigkeit durch Model-Ânderung gewahrleistet. Durch Erhöhung der Produk- tion und Verminderung der Vielfâltigkeit werden die Kont rol larbeiten und Produktionsplanungen vereinfacht. Bei diesen Systemen mit einer hohen Produktivitât ist eine Produktionsf lexibilitat kaum vorhanden. Steigende international e Konkurrenz, Anspruch auf mehr Marktanteil, kürzere Innovationszeiten bei Produkten, Ansprüche auf immer bessere Qualitaten, immer mehr ver- kürzte Lieferzeiten und immer sich vermehrende Vielfâltig keit der Produkte und Modelle erforden die Anwendung neuer Technologien. Die schnelle Entwicklung der Computersysteme und die durch intensive Computerunterstützung bedingte Produktionsf lexibilitat, sowie Computer integrierte Ferti- gung (CIM : Computer Integrated Manufacturing) stellen neue Produktionstechnologien dar. Bei der flexiblen Fertigung, die zwischen Fliessfer- tigung und Werkstattf ertigung einen Platz einnimmt, wird eine höhere produktivitât gegenüber Werkstattf ertigung und eine grössere Flexibilitat bei Produktvielfâltigkeit erreicht. Bei der Computer integrierten Fertigung, welche die höchst entwickelte Produktionstechnologie ist, er reicht man die maximalen Werte in Mengen-Anzahl, Flexibi litat, Produktivitât und Produktvielfâltigkeit. Die Flexibilitat der automatischen, flexiblen IXProduktion der Computer integrierten Fertigung wird durch - Technologie - Organisation - Qualif ikation der Mitarbeiter erreicht. Die durch neu-technologische Produktionsmitteln er- richte Flexibilitat wird durch technische Eigenschaften der Produktionsmitteln beschrânkt. Organisatorisch gese- hen, bei der Steigerung der Produktionsf lexibilitat wird die Produktionsplanung und -steuerung (PPS) mehr an Bedeu- tung gewinnen. Die Produktionsplanung und -steuerung wird bei CIM durch eine Computergestützte ersetzt. Bei der com- putergestvitzten Produktionsplanung und -steuerung wird, durch Technologien bei der Auswertung, Speicherung und Er- fassung der Daten und Kentnissen, die Kompliziertheit in grossem Masstab herabgesetzt. Der letzte Stand, der bei der Erfassung und Auswertung der Daten und Kenntnissen er reicht wurde, ist Expertensysteme. Die Entwicklung der, auch als wissenbasierte Systeme genannten, Expertensysteme vermehrt die Auswirksamkeit der Simulations Technik, wel- che bei der Untersuchung der Produktionssystemen auch gu- te Anwendungsmoglichkeiten gefunden hat. Weiterhin ist er, bei der Aufstellung der Simulationsmodel le, bei der Durchführung der Simulationsexperimente, sowie bei der Deutung der Ergebnisse, dem Gebraucher vom grossen Nutzen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Konstruktion eines Expertensystems, was die Aufstellung eines Simulationsmo del Is fiir die Werkstattfertigung, die Uberprüfung ver- schiedener Strategien bei diesem Modeli und den Simula- tionsergebnissen basierende Vorschlâge dem Gebraucher, beinhalten soil. Ausserdem soil es eine Entscheidungsstiit- ze fur den nicht fachmannischen Gebraucher sein. Die diskontinuierliche Simulation von Werkstattfer tigung erfolgt durch gegenseitige Beeinf lussung der unten beschriebenen Model 1-E1 emente : - Werkzeugmaschinen - Arbeiter - Werkstucke - Transportmittel - Lager(ung) Einheiten - Hilfseinheiten. Kenntnisse über die angegebenen Model 1-Elemente sol- len vor der Simulation f ertiggestel It sein. Die Simulationstechnik kann sowohl bei Verbesserung der vorhandenen, als auch bei der Untersuchung der vorge- planten Produktionssysteme verwendet werden.Bei der Entwicklung der Simulationssprachen (zur Zeit die fünfte Generation) für diskrete Ereignisse, die bei der Model lierung der Produktionssysteme gebraucht wer den, tendiert das Schwergewicht auf das Model 1 ierungsprob- lem. Anstatt dass man Simulationsprogramme schreibt, be- ginnt man Simulationsprogramm-Schreiber zu entwickeln. Durch Entwicklungen der künstlichen Intel ligenz und Exper- tensysteme bedingte speziell entwickelte Programmpakete erleichtern den Leuten die Durchführung der Simulations- versuche. Im 3. Abschnitt werden die Aufbauweise, Eigenschaf- ten, Stützmittel und Wirkungsgrad der Expertensysteme ein- gehend dargestellt. Insbesondere bei der Lösung von komp- lizierten Probleme der Industrie-Engineering können die Expertensysteme gute Dienste leisten. Neben vielen Elementen, die einem allgemeinen Exper- tensystem eigen sind, stellen - Wissensbasis - Inf erenzmechanismus - und Dialog mit dem Benutzer die wichtigsten drei Komponente der sâmtlichen Experten systeme dar. Die Wissensbasis der Expertensysteme beinhaltet sarnt- liche Daten, die zur Verstândigung und Lösung der Probleme nötig sind. Diese Daten sind ein Masstab für die Intel li genz der zugehörigen Expertensystem. Wissensbasis besteht aus zwei Hauptelementen: - Fakten - und Regeln. Neben Fakten und Regeln, gebrauchen die Expertensys teme auch vages Wissen und Heuristik. Für die Wissensdar- stellung der Wissenbasis werden folgende Methoden ange- wandt : - Programmiersprachen für künstliche Intel ligenz, - Rahmen, - Semantische Netze, - Produktionsregeln, - Logik. Inferenzmechanismus sind Programme, die fâhig sind, sowohl die Daten der Wissenbasis benutzend, als auch mit dem Benutzer in Kontakt tretend, zu Schlussf olgerungen zu kommen und Probleme zu lösen. Es fuktioniert durch, ent- weder xa-Ruckwartsverkettung, öder -Vorwartsverkettung Strategien. In den letzten Jahren sind die Interessen mehr und mehr auf die Verknüpfung der Expertensysteme und Simula- tionstechnik konzentriert worden. Aus der Verknüpfung der Expertensysteme und Simulationstechnik kann man folgendes erwarten: - Model lierung - Simulationsplanung und Durchführung - Analyse der Simulationsergebnisse und deren Interpretation. Das Wissen der Simulationsexperten kann einerseits von Benutzern auf diese Weise gebraucht werden, anderer- seits kann es den Benutzern die Wahl erleichtern, wo sie eine Entscheidung treffen müssen. Im Abschnitt V wird das, für die Werkstattf ertigung ausgearbeitete, Expertensystem dargestellt. Das darge- stellte System besteht aus drei Unter-Exepertensystemen: Das Expertensystem, das, die Ausführung der Ex- perimente für die Entwicklung der Simulationsmodell ermög- licht (EXPERTE SIMULATION), Das Expertensystem, das, die Analyse der Simula tionsergebnisse durchführt, sie interpretiert, und neue Ideen vorschlâgt (EXPERTER AUSWERTUNG), Das Expertensystem, das, bei der Wahlentschei- dung hilfe leistet (EXPERTE ENTSCHEIDUNGSSTÜTZE). Alle drei Untersysteme sind mit der künstlichen In tel ligenz Sprache PROLOG geschrieben werden. Der logische Aufbau und die Listenführung der Sprache erleichtert die Wissendarstel lung. Die wichtige Eigenschaft der Experten systeme, die hinzugefügten, geânderten öder ausgestriche- nen Daten der Wissenbasis akzeptieren zu können, wird in PROLOG durch seine dynamische Wissenbasis gewahrleistet. Die Ruckwartsverkettung bei der Schlussfolgerung ist durch die Ruckwartsverfolgung-Eigenschaft (Backtracking) der P- ROLOG leicht durchführbar, ohne zusâtzliche Kontrol lstruk- turen benötigt zu werden. Als drei Annâherungsmethoden, die die Simulationsp- rogramm-Generatoren zur Verfolgung der Problemstel lung ge- brauchen, werden die natürliche Sprach-Interaktivitat, Graphiken-Interaktivitat und interaktiver Dialog angegeben. Bei der Aufnahme der Werkstatt-Daten der EXPERTEN SIMULA TION zu Simulationszwecken, wird interaktive Dialog-Met- hode gebraucht. Bei der interaktiven Dialog-Methode, wer den die Daten, die, die Elemente der realen Werkstattf er tigung betreffen, den Files im Extern-Memory eingetragen. XI 1Diese Files sind als: -“İŞLER. DBA”: Die Auftrâge betref fende Fakten-Files -“TEZDUR.DBA”: Die Anfangslage der Maschinen betref- fende Fakten-Files -“STE.DBA”: Die ausgewahlten Maschinen betreffen- de Fakten-Files -“BASBIL.DBA”: Die Anfangssituation betref fende Files bezeichnet worden. Diese Files, die wahrend der Laufzeit zum Arbeitss- peicher übertragen werden, nehmen ihre Stellung als dyna- mische und statische Fakten der Wissensbasis der EXPERTEN SIMULATION an. Bezüglich Auftrâge (İŞLER. DBA) sind fol- gende Fakten im System beschrieben: Auftrags (Nr. : Name : Losgrösse : Lieferungsdatum: Listen zur Bearbeitungszeiten: Rvistzeit-Liste : Liste der Maschinen wo gearbeitet werden wird: Route : ) welche als statische Fakten wahrend des Simulationsvorgan- ges unverândert bleiben. Die Fakten des“TEZDUR.DBA ”-Fi les, welche die Anfangswerte der Maschinen darstellen, sind folgendermassen beschrieben worden : Maschinen( Nr. : Zustand : Auftrag Nr. : Betriebsdauer der Maschinen: ), Diese sind in Abhângigkeit der Simulationsrechnungen. Als Anfangszustand sind alle Maschinen“FREI”und ihre Betriebsdauer als Null angenommen worden. Nach jeder Fertigstel lung eines Werkstiicks, die Laufzeiten (Betriebsdauer) werden um den Betrag erhöht, welche zur Herstellung des Stücks benötigt wurde. Mit den“assert”und“rectract”Ausdrücken im PROLOG, wird, das Einführen von neuen Fakten und das Auslassen der al ten Fakten von dem Wissensbasis, leicht durchführbar. Den Produktionsraum betref fende Simulationsdaten sind in Files untergebracht, die folgendermassen beschrie ben sind: -“KURALI. PRO”-“KURAL2.PRO”und -“YARDIM. PRO”. XlllDie diskrete Simulation der Werkstattfertigung er- fordet eine Serie von Arbeiten, wie Erzeugung von zufâlligen Zahlen so wie eine Serie von Ereignissen wie z.B. Auftrags-Eingang, Ende einer Bearbeitung, Beginn einer Bearbeitung, u.a., Listenaufstel lungen zu den Ereig nissen, u.dgl., die zur Verwirklichung der normmâssigen Simulationsvorgângen nach einer bestimmten Regel nötig sind. Die Files“KURALI. PRO”und“KURAL2.PRO”beinhalten die Regeln und Indikationen, die zur Regelung der obigen Simulationsvorgângen zur Rechnung tragen. Sie beinhalten ausserdem noch, sich ânderndem Belastungsgraden anpassende Belastungswerte, und Prioritâtsregeln, die einer organi- satorischen Verbesserung der Werstattfertigung beizutragen haben. Das Experte-Simulations-Paket kann, im vorlaufigem Zustand, die untenstehenden Prioritâtsregeln überprüfen: - FCFS (First Come First Served) - LCFS (Last Came First Served) - KOZ (Kürzeste Operationszeitregel ) - LOZ (Lângste Operationszeitregel). Die Absicht dieser Arbeit war die Uberprüfung der InvestierungsStrategien. Bei den Umstel lungen zu neuen Technologien (wenn eine Umstel lung zu flexiblen Produk- tionsystemen angestrebt wurde), nehmen die CNC (Compute rized Numerical Control) Maschinen den untersten Platz. Die Investierungsregeln bezüglich die CNC-Maschinen sind in den Files angegeben und können zur Uberprüfung der ver- schiedenen Investierungs-Probabilitâten gebraucht werden. Was bei dem Werkstattfertigungsystem angestrebt wur de, war die Besserung der messbaren Einheiten, die das Systemverhalten wiederspiegeln. Die EXPERTE SIMULATION entwickelt neue Files, welche die Fakten beinhalten, dir wahrend des Laufens entstehen. Diese Files sind als -“BÎTÎŞL.DBA”: Die fertig gestellten Auftrâge be- treffendes Fakten-File, -“BEKÎŞ.DBA”: Die wartenden Auftrâge betreffendes Fakten-File, -“BEKHAT.BDA”: Die Warteschlangen betreffendes Fakten-File, -“RAPOR. DBA”: Die für jede Simulation aufgenommenen Messwertebetref fendes Fakten-File, bezeichnet worden. Mit Hi If e von interaktivem Dialog gibt“EXPERTER AUSWERTUNG”in Richtung der Ansprüche von Benutzern eine ausführliche Analyse mit graphischen Darstel lungen an Zu- sammenhângend damit erfolgt nach der Simulation eine Uber prüfung, der Wissenbasis und es werden durch Interpreta tion der Ergebnisse neue vorgeschlagen. Das hierbei ausgeführte System rechnet die Bewer- tungskriterien der Werkstattfertigung wie: xiv- mittlere Durchlauf zeit der Auftrâge - Anzahl der Auftrâge, die schon abgefertigt wurdert - mittlere Anzahl der wartenden Auftrâge - mittlerer Arbeitsinhalt der wartenden Auftrâge - mittlerer zeitlicher Auslastungsgrad der Werkzeug- maschinen aus. Es erlaubt auch eine statistische Analyse der mitt- leren Werte in Bezug auf Standardabweichung, Vertrauens- grenzen, Stichprobenumfang usw. Das“EXPERTER AUSWERTUNG”kann aber aus ser fert i g- bearbeiteten Auftrâgen auch die wartenden Auftrâge sta- tistisch analysieren. Durch Uberprüfüng der wissensbasis des die wartenden Auftrâge betref fenden File können die unten angegebenen Kenntnisse erreicht werden: - Welche wartenden Auftrâge in welcher Warteschlange - deren Wartezeiten - Anzahl der schon erfolgten Bearbeitungsstufen der Warten den Auftrâge - Nach der Simulation ; Arbeitsinhalt und Anzahl der Auftrâge, die vor jeweiliger Werkzeugmaschinengruppe war- ten Das letzte Unter-Expertensystem ist“ EXPERTE ENT- SCHEIDUNGSSTÜTZE”. Es bietet dem Benutzer je nach anzu- strebendem Ziel Vorschlâge an. Da die Simulationsmodel le nicht zulösende, sondern zu überprüf ende Modelle sind, kön nen die verschiedenen Investierungsstrategien nur relativ bewertet werden. Daher erfolgen die Vorschlâge bestmög- 1 icher Entscheidungsalternativen. Eine wichtige Eigenschaft der Expertensysteme ist das Lernen. Nach jeder Simulationsrechnung lernt das“ EXPERTE ENTSCHEIDUNGSSTÜTZE”die zum optimalen Resultat führende Strategie, in dem es die Ergebnisse relativ zu- einander vergleicht. Für unterschiedliche Produktionssys- teme werden die Bewertungskriterien nicht gleich. Aus die- sem Grund kann durch benutzerseitigen Ansprüchen entspre- chenden interaktiven Dialog auch eine Optimerung von un- terschiedlichen Bewertungskriterien durchgefiihrt und da- durch eine Entscheidungshilfe herangezogen werden. An- dererseites kann aber auch eine Entscheidungsstütze ge- braucht werden, urn die vorteilhafte bzw. nachteilige Aus- wirkung einer bei Simulationsmodel 1 zu überprüf enden, neuen Strategie auf Werkstattverhalten zu sehen. Die Richtigkeit und die Gültigkeit der Entscheidun- gen, die das entworfene Expertensystem, bestehend aus - EXPERTE SIMULATION - EXPERTER AUSWERTUNG - EXPERTE ENTSCHEİDUNGSSTÜTZE, xvbetreffs realen systems ergibt, hângt in grossem Mass von denen des Simulationsmodel İs ab. Um sicher vorgehen zu können wurden zur Uberprüfüng der Richtgkeit, die ja als Richtgkeit des einprogrammierten Model Is und dessen Ab- laufs definiert wird, verschiedene Teste durchgefürt. Der Wichtigste von diesen ist die“trace”-Eigenschaft im PRO LOG. Die Bestâtigung dessen, ob ein simulationsmodel 1 wahrend des Arbeitens genau das reale system darstellt, wird als Gültigkeit beschrieben. Abgesehen von verschie- denartigen Testmethoden, die eingeschlagen wurden, konnte die Gültigkeit auch durch Besprechungen mit Werkstattsan- gehöringen sowie Gegenüberstel lung der Ergebnisse von Si mulation und real em zustand nachgewiesen werden. Das aufgestellte Expertensystem wurde in einer Er- satzteilwerkststt, die 52 Werkzeugmaschinen und einen Um- fang von 570 unterschiedlichen Werkstiicken hat, erprobt. Für eine sechsmonatige Zeitspanne wurden Simulationsrech- nungen durchgefiihrt und nach jeder Simulation durch sta- tistische Analyse und deren Interpretation dem Benutzer Vorschlâge gemacht. Diese Vorschlâge beinhalteten Nut- zungsgrade der Bearbeitungsmaschinen, Hinweise auf werk- zeugmaschinengruppen, die Engpâsse verursachen Umfang der Investierungen bei Engpass bi İdenden Maschinen. In Anbet- racht dieser Vorschlâge wurden 18 Simulationsrechnungen durchgefiihrt, die unterschiedliche Investierungsstrategien überprüften. Bei der Simulation in der Werkstatt vorhan- denen Werkzeugmaschinen wurden vor Drehmaschinen enorme Warteschlangen bzw. Wartezeiten festgelegt. Wenn man CNC- Drehmaschinen in Betracht zieht, werden Werkstiickanhauf- ungen vor den Drehmaschinen herabgesetzt, wogegen die vor den Frasmaschinen zunehmen. Aufgrund aller durchgefiihrt en 18 Simulationsrechnungen schlâgt das Expertensystem als einzuschlagende Strategie, die aile Engpâsse in der Werk- sttatt abzuschhaf fen vermag und eine Optimierung aller Be- wertungskriterien ermöglicht den Einsatz der CNC Dreh - Frasmaschinen vor. Der grösste Vorteil des beschriebenen Expertensys tem. Paketsbesteht in leichter Handhabung durch Benutzer, die sich weder Programmieren nach in der Simulationstech- nik auskennen. Mit Hilfe des interaktiven Dialogs reali- siert Benutzer die Simulation, in dem er nur die gestellen Fragen beantwortet. Ein anderer Vorteil des Systems ist seine Lernfâhigkeit. Dieses Lernen erfolgt selbstânding durch Einführung der Lernregeln oder aber auch durch Ein- programmierung des neuen Wissens. Da das Programm nicht durch Einprogramieren eines Lösungsverfahrens lâuft, ist Ânderung bzw. Hinzufügen neuer Regeln zur Erhöhung der Schlu'ssfolgerungsfâhigkeit ziemlich einfach. xvı

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