8.2.1 Domeniul
Domeniul prezentului proiect il formeaza clasa de masini destinate manufacturarii componentelor mecanice, prin procesarea materiilor prime si materialelor. In proiect, domeniul este abordat plecand de la tendintele actuale ale pietei de componente mecanice si anume: i) dimensiunea curenta a comenzilor are o tendinta accentuata de scadere, ceea ce conduce la alcatuirea unor serii mici de fabricatie; ii) tendinta accentuata de personalizare a produselor conduce la o diversitate pronuntata a formelor, dimensiunilor si a altor caracteristici ale componentelor mecanice solicitate pe piata; iii) flexibilitatea si reconfigurabilitatea masinilor tehnologice tind sa devina caracteristicile ce determina in mod hotarator competitivitatea pe piata a fabricantilor de masini tehnologice; iv) principala directie pe care se poate avansa pe calea acordarii masinilor tehnologice cu cerintele impuse de piata este schimbarea la nivel conceptual a modului in care este condusa o masina tehnologica, astfel incat reconfigurarea sistemului de conducere a masinii sa se realizeze pe baza cognitiei, in acord cu comenzile oferite de piata.
8.2.2 Scopul
Scopul proiectului este cresterea competitivitatii masinilor tehnologice, destinate fabricatiei in serie mica a unor game largi de produse, prin: i) reducerea duratei reconfigurarii; ii) reducerea duratei programarii; iii) minimizarea erorilor de prelucrare; iv) maximizarea productivitatii; v) minimizarea costurilor si, in fine, vi) asigurarea automata a stabilitatii.
8.2.3 Ideile cheie
Conceptia acestui proiect se bazeaza pe urmatoarele idei cheie:
1. Monitorizarea sistemelor tehnologice automate cu ajutorul senzorilor genereaza reactii la eroarea aparuta in functionarea reala, realizandu-se astfel conducerea pe baza de eroare a sistemului tehnologic clasic. Sistemele cognitive, cu ajutorul perceptiei, vor genera reactii ce depind de erorile rezultate din functionarea virtuala, realizandu-se o conducere pe baza de model.
2. Structura sistemelor tehnologice clasice este modelata pe baza elementelor componente si a functionarii acestora, realizandu-se modele ale elementelor in sine. Spre deosebire de sistemul clasic, in cazul sistemului tehnologic cognitiv se va realiza o modelare structurala bazata pe granule de cunoastere si cooperarea dintre acestea, modelandu-se astfel interactiunile dintre elemente.
3. Sistemul de control cognitiv va fi conceput ca o clona conceptuala virtuala a sistemului condus si care functioneaza independent de acesta, determinand reactii la evenimentele viitoare, spre deosebire de sistemul clasic de control care functioneaza simultan cu sistemul condus, generand reactii la evenimente trecute.
4. Pentru a reprezenta cat mai fidel lumea reala, in cazul sistemului tehnologic cognitiv se va realiza modelarea tuturor elementelor (self, task, mediu), spre deosebire de sistemul tehnologic clasic, unde se realizeaza un model al self-ului, actiunile celorlalte componente fiind considerate peturbatii.
5. Conducerea unui sistem tehnologic clasic este bazata pe procesarea informatiei cu ajutorul modelului, sistemul neputand utiliza ulterior aceasta informatie. Sistemul tehnologic cognitiv va realiza o conducere bazata pe extragerea si procesarea cunostintelor, care apoi sunt folosite pentru procesarea informatiei.
6. Pentru sistemele tehnologice clasice, intre elemente si modele se stabileste o relatie de izomorfism. In cazul sistemelor tehnologice cognitive, relatia de izomorfism se stabileste intre tipuri de interactiuni si granule de cunoastere privitoare la acestea.
8.2.4 Obiectivul general al proiectului este dezvoltarea unor sisteme tehnologice de noua generatie – sisteme tehnologice cognitive – bazate pe o noua paradigma, conceperea unor sisteme tehnologice cognitive reconfigurabile si elaborarea metodologiei de proiectare a acestora.
8.2.5 Obiectivele specifice ale proiectului sunt urmatoarele:
Ob. 1 Elaborarea conceptului de tehnologie cognitiva – un nou concept tehnologic general
Ob. 2 Conceperea unor sisteme tehnologice de noua generatie – sisteme tehnologice cognitive
Ob. 3 Conceperea algoritmului de conducere a sistemelor tehnologice cognitive
Ob. 4 Dezvoltarea unei metodologii de proiectare a sistemelor tehnologice cognitive
Ob. 5 Realizarea “proof-of-concept”, in laborator, a unui sistem tehnologic cognitiv experimental
Ob. 6 Testarea in conditii de laborator a sistemului tehnologic cognitiv experimental
Ob. 1 Elaborarea conceptului de tehnologie cognitiva – un nou concept tehnologic general
Punctul de start al acestei abordari este programul piesa, care descrie “filmul” dupa care se desfasoara o operatie de prelucrare. In limbajul ISO-G code, programul piesa contine toate informatiile necesare pentru desfasurarea operatiei si obtinerea unui produs finit de calitate. Aceste informatii sunt organizate intr-o lista de instructiuni, pe care sistemul tehnologic controlat numeric le citeste si le executa succesiv.
Privind procesul de elaborare a programului piesa vom face trei observatii.
● Mai intai ca, elaborarea programului piesa a avut la baza o anumita reprezentare a lumii reale, asa cum programatorul a reusit sa si-o construiasca, prin procese cognitive anterioare.
In sistemul cognitiv natural al programatorului, adica in mintea acestuia, reprezentarea, construita si perfectionata in timp, include date, informatii, cunostinte/reguli, modele, algoritmi, toate putand fi folosite in momentul elaborarii programului piesa. In plus, programatorul are la dispozitie o memorie externa (biblioteca), ce contine elemente de acelasi fel (date, informatii, cunostinte, etc), pe care, de asemenea, le poate folosi in momentul elaborarii programului piesa, dar, evident, in baza actualei reprezentari a lumii reale, pe care programatorul o are in minte.
● Apoi ca, intotdeauna, elaborarea programului piesa este insotita de rularea virtuala a acestuia, in mintea programatorului, urmata de evaluarea deviatiei virtuale de la tinta operationala propusa si de corectia acestei deviatii, prin modificarea/acordarea corespunzatoare a programului piesa.
● In fine ca, dupa prima rulare reala a programului piesa, realizata in cursul prelucrarii primei piese din lot, se constata ca au aparut deviatii fata de datele sau informatiile pe care programul le contine. Cauza este aceea ca reprezentarea pe care programatorul o are in minte este doar o prima aproximatie a lumii reale, atat inexacta cat si incompleta sau chiar inadecvata. Consecinta acestor evenimente (adica aparitia diferitelor feluri de deviatii) este aceea ca operatorul masinii se va stradui sa le compenseze la urmatoarele piese, prin modificarea (in limite foarte restranse) a programului piesa, iar programatorul se va stradui sa le evite la urmatoarele programe, prin modificarea reprezentarii lumii reale pe care o are in minte.
Considerand cele de mai sus, in prezentul proiect se propune extinderea proceselor cognitive, dincolo de programator, adica in zona in care se desfasoara in mod real operatia de prelucrare programata. Aceasta presupune ca, pe langa sistemul cognitiv natural al programatorului si care a generat reprezentarea lumii reale intr-o prima aproximatie, sa se construiasca un sistem cognitiv artificial, care sa genereze o a doua reprezentare a lumii reale, si care sa administreze doar deviatiile aparute in cursul rularii reale a programului piesa.
Cel de-al doilea sistem cognitiv, cel artificial, desi mult mai mic decat primul, trebuie sa aiba, structural, aceleasi elemente. In plus, trebuie sa fie foarte dedicat, adica lumea lui reala sa fie restransa doar la o singura operatie, si anume aceea descrisa de programul piesa. Pentru a fi atat de dedicat, sistemul cognitiv artificial trebuie sa fie usor reconfigurabil.
In prezentul proiect, prin tehnologie cognitiva vom intelege desfasurarea fiecarei operatii de prelucrare in acord cu programul ei piesa, dar sub controlul unui sistem cognitiv artificial, dedicat acesteia si incorporat in sistemul tehnologic.
In elaborarea noului concept vom pleca de la reprezentarea lumii reale intr-o a doua aproximatie si modelarea operatiilor de prelucrare ca procese cognitive. Apoi, pe aceasta baza, vom identifica principiile definitorii ale unei tehnologii cognitive si vom structura in mod adecvat sistemul cognitiv artificial, tinand cont ca, pentru aceasta, lumea reala se restrange doar la deviatiile specifice programului piesa al operatii in cauza. In fine, va fi conturat si dezvoltat conceptul de tehnologie cognitiva, ale carui caracteristici bazice le prezentam comparativ in Tab.2.
Tabelul 2 Aspecte caracteristice de baza ale conceptului de tehnologie cognitiva propus in proiect
Aspectul caracteristic
|
Actualul concept
(referentialul cercetarii)
|
Conceptul propus
|
Design
|
Produse informatice CAD/CAM//CIM utilizate offline
|
idem
|
Controlul geometriei
|
Perechi de suprafete simple
Corectie de scula unica, aplicata offline
|
Perechi de spatii topologice
Corectie de scula variabila, controlata predictiv si adaptiv, in timp si spatiu
|
Controlul stabilitatii
|
Rezerva de stabilitate neutilizata
|
Utilizare completa a domeniului de stabilitate, prin controlul online al limitei de stabilitate
|
Controlul economicitatii
|
Control offline, fara a considera aspectele comerciale
|
Control online, cu considerarea aspectelor comerciale
|
Modul de observare a procesului
|
Observare prin masurarea parametrilor de stare (monitorizare)
|
Observare prin masurare, clasificare, perceptia senzoriala si identificare a elementelor si starilor
|
Modul de conducere a operatiei
|
Conducere pe baza valorii erorii reale aparuta la un moment dat
|
Conducere pe baza evolutiei virtuale a erorii, rezultata din simularea evolutiei sistemului
|
Tipul conducerii
|
Adaptiva si optimala, offline
|
Cognitiva bazata pe invatare online si rationament
|
Modele de control
|
Modelele elementelor in sine, identificate ca atare
|
Modele comportamentale rezultate din identificarea online a interactiunii dintre elementele sistemului
|
    
Ob. 2 Conceperea unor sisteme tehnologice de noua generatie – sisteme tehnologice cognitive
Similar sistemului biologic, in cazul sistemul tehnologic conventional (automatizat), masina-unealta actioneaza asupra piesei producand transformari ale acesteia, conform programului piesa.
In cazul unui sistem tehnologic conventional, efectele actiunilor masinii unelte (self-ul), descrise de programul piesa (task-ul), si aplicate piesei (mediul) sunt masurate cu ajutorul senzorilor si modificate cu ajutorul controlerelor. Mecanismul de control se bazeaza pe un principiu simplu: corectarea diferentei dintre marimea obtinuta si marimea pe care dorim sa o obtinem. In acest caz controlerele sunt eficiente, insa prezinta un mare neajuns – nu beneficiaza de un feedback pe baza experientelor anterioare. Pentru a inlatura acest inconvenient, este necesar ca sistemul tehnologic sa fie capabil sa anticipeze eroarea si sa previna aparitia ei.
Cererile tot mai rafinate ale consumatorilor cat si complexitatea operatiilor tehnologice, cu implicatii directe asupra dinamicii pietii, necesita modelarea nu numai a self-ului (masina unealta) dar si a mediului (piesa), si, respectiv, a task-ului (programul piesa). Mai mult, prin intermediul capacitatii de perceptie a sistemului cognitiv, se vor modela nu numai elementele, ci si interactiunea dintre acestea, realizandu-se o buna reprezentare a ansamblului proces-masina.
Daca elementele percepute sunt cunoscute, sistemul va planifica actiuni de modificare a task-ului in scopul acordarii la mediu prin intermediul self-ului. Daca evenimentul* referitor la model, la starea modelului, sau la relatiile dintre modele nu este cunoscut, atunci sistemul invata (machine learning), prin extragerea si procesarea noilor cunostintelor, care, prin rationament (reasoning), vor fi utilizate in procesarea informatiei si retinute de sistem in vederea aplicarii ulterioare (Fig. 3).
* Pentru a elimina o eventuala confuzie, in prezentul proiect, prin notiunea de eveniment vom intelegem orice deviatie de la programul piesa, in ceea ce priveste fie starea sistemului fie comportarea acestuia. Evenimentul contine, in acceptiune cognitiva, informatii referitoare la modele, stari ale acestor modele, si relatii dintre modele.
Fig. 3 Schema conceptuala a sistemelor tehnologice cognitive, propuse in proiect, in comparatie cu cele actuale (automatizate)
Ob. 3 Conceperea algoritmului de conducere a sistemelor tehnologice cognitive
In figura 4, se prezinta schema de principiu a algoritmului de conducere a unui sistem tehnologic cognitiv, propus in proiect. Din ansamblul proces-masina (lumea reala), prin intermediul dispozitivelor de achizitii date (senzori, traductoare, etc.) se primesc informatii care, prin modulul de masurare, sunt tratate ca evenimente, ce sunt stocate intr-o baza de date. Prin eveniment se intelege orice deviatie referitoare la model, la starea modelului, sau la interactiunile dintre acestea. In aceasta etapa de masurare se stabileste modelul, tipul, parametrii si starea in care se afla. Urmatorii pasi consta in clasificarea/recunoasterea, perceptia si identificarea, stabilind clasa, subclasa si familia din care face parte, prin comparatie cu modelele inregistrate in baza de cunostinte.
Daca sistemul cognitiv are dificultati in a trata evenimentul in una dintre etapele de clasificare, percepere sau identificare, atunci va apela la generatorul de cunostinte. Acest generator contine proceduri de generare a modelelor si de predictie a starilor si interactiunilor care, prin invatare si rationament, va actualiza baza de cunostinte cu noi modele. In acest moment, sistemul cognitiv este capabil sa modifice si sa stabileasca un scop, actualizand evenimentele si, implicit reprezentarea ansamblului proces – masina.
In cazul in care sistemul cognitiv nu a intampinat dificultati in identificarea evenimentului in etapele descrise anterior, atunci planifica, genereaza (plan actiune) si initiaza actiuni (actiune) in scopul modificarii ansamblului proces-masina.
Fig. 4 Schema de principiu a algoritmului propus
Algoritmul va fi aplicat in cazul sistemelor tehnologice reconfigurabile, destinate fabricatiei de serie mica, si se va baza pe faptul ca sistemele tehnologice, prin implementarea algoritmului de conducere cognitiva, isi “reconfigureaza” actiunile in scopul modelarii mediului. Apoi se va realiza un studiu comparativ al nivelului potential de performanta, care va pleca de la completarea bazei de cunostinte in cazul unui sistem tehnologic. Este de asteptat ca nivelul de performanta sa fie ridicat, intrucat sistemul este capabil sa previzioneze anumite evenimente si, mai mult, prin perceptie si invatare, sa-si imbunatateasca capacitatile cognitive in cazul aparitiei unor evenimente necunoscute.
Studiul factorilor care-l influenteaza va completa imaginea sistemului cognitiv dezvoltat in proiect. Sunt doua categorii de factori care influenteaza sistemul cognitiv: externi si interni. Spre exemplificare, acuratetea dispozitivelor de achizitie date reprezinta unul din factorii externi, care influenteaza comportamentul sistemului cognitiv. Din categoria factorilor interni mentionam acuratetea cu care este procesata baza de date avand in vedere ca, la un moment dat, va contine un numar foarte mare de informatii ceea ce va necesita atat resurse hardware cat si resurse software optimizate.
Ob. 4 Dezvoltarea unei metodologii de proiectare a sistemelor tehnologice cognitive
4.1 Fundamentarea metodologiei prin dezvoltarea unor tehnici specifice de invatare online nesupervizate
Invatarea presupune determinarea modelelor atat pentru “self”, mediu, cat si pentru modalitatea de interactiune dintre acestea. Mediul este caracterizat prin mai multe aspecte, cum ar fi aspectele fizice sau cele legate de partea economică. Masina la randul ei poate fi caracterizată prin notiuni similare mediului. Scopul invatarii este de a sintetiza aceste aspecte in granule de cunoastere si de a determina modalitati de modelare a interactiunii dintre self si mediu conform taskurilor. Aspectele caracteristice se pot determina pe baza informaţiilor provenite de la senzori si de asemenea pe baza datelor rezultate in urma perceptiei.
Interactiunea masinii cu mediul poate fi caracterizata prin identificarea unor paternuri, pe baza tehnicilor de invatare nesupervizata. Folosind aceste tehnici, se pot completa datele incomplete provenite din monitorizare, cu informaţii suplimentare, astfel incat caracterizarea sa fie completa. Tehnicile de invatare nesupervizata implica determinarea modelelor folosind variabile latente (Fig. 5). Pentru determinarea paternurilor si a variabilelor latente vom folosi tehnici cum ar fi factor analysis, principal component analysis, independent component analysis, K means. Invatarea presupune determinarea unor paternuri in datele structurate in timp. Determinarea cauzelor latente referitoare la evolutia in timp a interactiunii masina-mediu se va realiza folosind Hidden Markov Models si State Space Models.
Interactiunile dintre masina si mediu vor putea fi modelate folosind tehnici de reinforcement learning, prin care actiunile masinii vor determina un raspuns din partea mediului sub forma de stimuli si pedepse. Taskurile repetitive pot fi modelate folosind tehnici de invatare supervizata. Modelele rezultate vor constitui cunostinte care vor fi permanent actualizate de sistemul tehnologic cognitiv.
4.2 Implementarea metodologiei in cazul unor sisteme tehnologice cognitive destinate fabricatiei de serie mica
In cazul fabricarii unor serii mici, sistemul va clasifica fiecare task de prelucrare, precum si mediul in care se va efectua taskul. In cazul lansarii unei noi serii mici de fabricatie, sistemul va cauta in baza sa de cunostinte un task asemanator, pentru care anterior s-a determinat un set de modele ale taskului si deasemenea informatii despre o stare a mediului similara. Daca taskul sau informatiile aferente mediului se regasesc in baza de cunostinte se vor determina parametrii modelului aferent taskului si se va modela interatiunea self mediu task. Daca datele necesare nu se regasesc in baza de cunostinte, atunci se va aloca o noua categorie de clasificare si eventual un nou criteriu. Se vor determina variabilele care alcatuiesc modelul taskului si a interactiunii dintre task mediu si masina.
Fig. 5 Schema de principiu a metodei de invatare propusa in proiect
Ob. 5 Realizarea “proof-of-concept”, in laborator, a unui sistem tehnologic cognitiv experimental
Acest concept are drept scop minimizarea interventiei factorului uman in controlul adaptabilitatii sistemului tehnologic.
Monitorizarea sistemului se realizeaza cu ajutorul unui set de senzori, care transmit serii de informatii, de exemplu legate de putere, vibratii, forte, prin intermediul placilor de achizitie, sistemului de calcul, care le stocheaza intr-o baza de date. Apoi, pe baza sistemului de monitorizare si a informatiilor primite, se va actualiza baza de cunostinte, daca e cazul, si, respectiv, se va actiona asupra masinii – unelte prin intermediul circuitelor programabile, in vederea modificarii task-ului (programul piesa).
In figura 6 prezentam modul in care va fi dezvoltat in laborator sistemul cognitiv experimental. In esenta acesta va fi conceput astfel incat sa materializeze ideile cheie care au stat la baza conceptului de sistem tehnologic cognitiv.
Fig. 6 Schema de principiu a sistemului experimental de conducere cognitiva ce urmeaza a fi realizat in cadrul proiectului
Ob. 6 Testarea in conditii de laborator a sistemului tehnologic cognitiv experimental
Toate dezvoltarile conceptuale si teoretice expuse anterior vor fi verificate experimental, in conditii de laborator, pe loturi de semifabricate, ce vor fi prelucrate pe o masina-unealta automatizata (clasica). Dupa ce s-au facut aceste prelucrari, se introduce sistemul cognitiv si se reiau operatiile de prelucrare a semifabricatelor. In cadrul desfasurarii experimentului, se vor monitoriza diferite deviatii ale piesei fata de modelul virtual (geometrie, consum, timp), monitorizandu-se modul in care procedurile de invatare si rationament modifica programul piesa in scopul preintampinarii aparitiei acestor deviatii.
Compararea rezultatelor obtinute in cazul prelucrarii pe un sistem tehnologic clasic cu cele obtinute in cazul prelucrarii cu un sistem tehnologic cognitiv ne ajuta in formularea unor aprecieri asupra eficientei utilizarii unor astfel de sisteme.
Elemente de originalitate
Prezenta cercetare contine numeroase elemente de originalitate, care au fost relevate pe parcursul prezentarii. O prezentare sintetica a acestor elemente le-ar putea evidentia pe urmatoarele:
1. Elaborarea unui nou concept tehnologic, si anume tehnologia cognitiva, care determina un impact conceptual major si anume trecerea de la automatizare la constientizare.
2. Tratarea intr-o maniera noua, originala, a problemei conducerii sistemelor tehnologice, si elaborarea unui nou concept, anume acela de sistem tehnologic cognitiv, care ia in considerare toti factorii ce gestioneaza evenimentele si prevede adaptarea ansamblului proces – masina la realitatea imediata, asigurand astfel o crestere a competitivitatii tehnologice si o reactie rapida la dinamica pietii.
3. Elaborarea metodologiei de realizare a sistemelor tehnologice cognitive, ca sisteme tehnologice de noua generatie.
|
