Hybridní inteligentní systémy

V seriálech o umělé inteligenci jsme si probrali některé základní typy inteligentních softwarových systémů. Při řešení složitých problémů technické praxe je nutno použít kombinaci několika metod, které se vzájemně doplňují. Takovým systémům říkáme hybridní systémy.

Konstrukce hybridních systémů

Existuje řada metod teorie umělé inteligence zaměřených na řešení určitých typů úloh. Při řešení složitých problémů technické praxe je však zpravidla nutná kombinace více takových metod, vytvoření hybridního systému, jehož složky řeší konkrétní dílčí úlohy. Již v některých z dříve popsaných systémů, především v článcích o evolučních optimalizačních systémech, jsem se zmiňoval o heuristických metodách, které výrazně urychlovaly proces nalezení optimálního řešení. Jednalo se o znalosti odborníků ve formě procedur. Procedurální reprezentace byla zvolena s ohledem na malý počet pravidel a požadovanou rychlost výpočtu.

Heuristické metody tvořily doplňkovou, i když významnou složku genetického evolučního procesu. V následujících článcích chci popsat systémy, kde jednotlivé metody tvoří rovnocenné vzájemně se doplňující a navazující složky komplexního systému.

Ukázky hybridních systémů

Ukázku hybridního systému popisuje článek Zobrazení grafů s použitím evoluční metody na serveru www.programujte.com v sekci Ostatní, Umělá inteligence a robotika. Výukový program Interpolace si můžete stáhnout na www.optiintelligent.cz v sekci Pro školy. Na tomto serveru najdete také další demo a výukové programy umělé inteligence.   

Hybridní systém optimalizace pálicích plánů OptiPal

Následující systém, generátor pálicích plánů OptiPal jsem realizoval na počátku své činnosti v tomto oboru. Od roku 2015 již není dodáván a ponechávám jej jako ukázku systému na bázi umělé inteligence vytvářejícího přímo programy pro NC stroje. Systém se používá ve válcovně k automatickému vytváření souborů NC příkazů pro pálicí stroj. Z vyválcovaného materiálu se ustřihne zkouškový pás, z něhož se podle určitých pravidel vypalují zkušební polotovary k testování kvality materiálu. Účelem je navrhnout umístění zkouškových polotovarů na páse tak, aby při zachování podmínek byla spotřeba materiálu co nejmenší, tj. požadovaná šířka zkouškového pásu minimální, a dále navrhnout takovou trajektorii hořáku, aby počet zápalů byl minimální a tudíž docházelo k nižšímu opotřebení hořáků. Výsledkem je soubor NC příkazů pro pálicí stroj.

Struktura systému

Vytvoření pálicího plánu se provádí ve dvou etapách:

• optimalizační model rozmisťuje polotovary na zkušební pás a navrhuje trajektorii hořáku,
• generátor pálicích plánů vytváří pálicí plány a výsledné NC příkazy ukládá do databáze k přenosu na pálicí zařízení.

Optimalizační model je hybridní systém složený ze dvou inteligentních subsystémů: procedurálního pravidlového systému a genetického algoritmu.

• Pravidlový heuristický subsystém ukládá pravoúhlé polotovary podle zadaných podmínek na zkouškový pás podle požadavků planéra tak, aby se ušetřilo co nejvíce materiálu a co nejlépe dodrželo požadované umístění polotovarů.
• Genetický algoritmus vychází z umístění definovaného předchozím pravidlovým systémem a navrhuje cestu hořáku tak, aby se dodržela technologická pravidla a ekonomické požadavky.

Generátor pálicích plánů je klasický aplikační program. Transformuje výslednou cestu hořáku do souborů příkazů pro technologické zařízení a ukládá do databáze nadřízeného informačního systému.

Expertní subsystém s procedurálními znalostmi

Tento subsystém vychází ze systému plošné optimalizace popsaného ve článku Expertní systémy I. Opět se ukládají jednotlivé dílce podle určitých zásad do volných oblastí a po každém uložení se prostor oblastí mění. Pravidla jsou tu však složitější. Znalosti jsou opět kvůli rychlosti realizovány procedurami.

Systém při optimalizaci zohledňuje zadání technologů a podmínky provozu pálicího stroje. Umisťuje polotovary podle priority na zkušební pás, přičemž je specifikováno požadované umístění polotovaru vzhledem k šířce předvalku. V parametrech systému je definována maximální povolená velikost oblasti a dále preference, jakou váhu má pro každou prioritu přesnost umístění polotovaru na požadované místo a jakou váhu má úspora materiálu. Do určitých oblastí není možné zkoušky umístit. Mezi polotovary se musí dodržet minimální vzdálenost, tyto okolnosti jsou také definovány v parametrech.

Evoluční systém optimalizace trajektorie

Hořáky se nejvíce opotřebovávají při zapálení a zhasnutí, proto je snaha navrhnout trajektorii co možná "jedním tahem". V systému OptiPal se definují tzv. milníky, které zahrnují souřadnice počátku a směr dalšího pohybu hořáku. Skupiny milníků, které lze provést jedním tahem, tvoří trasy, všechny trasy pak trajektorii pro vypálení jednoho plánu.

Hořák se nemůže zapálit a uhasit hned u tělesa, protože by vznikl nerovný okraj, proto je potřeba počítat s krátkým nájezdem. Z tohoto důvodu se milníky dělí na vnější, kde je nájezd možný, a na vnitřní, kde by nájezd mohl zasahovat dovnitř páleného tělesa. Trasa může začínat a končit pouze u vnějšího milníku.

Pro trajektorii hořáku existují pravidla daná výrobcem. Nesmí se vracet po stejné cestě, dráhy se nesmí křížit pod příliš velkým úhlem a nesmí probíhat příliš blízko sebe. Všechny tyto okolnosti musí systém zohlednit.

Dráhy se navrhují zpočátku náhodně, přitom některá má více bodů přerušení - zhasnutí a zapálení hořáku - a některá bude téměř jedním tahem. To se odrazí v hodnotící fitness funkci, která vlastně představuje počet zápalů neboli počet souvislých tras. Evolučním vývojem se vytvoří takový plán, který bude dosahovat nejlepších vlastností co do počtu tras a tím nejmenšího opotřebení hořáků.

Demoverze systému OptiPal

Systém OPTIPAL, o kterém se zmiňuje tento článek, již není od roku 2015 dodáván. Nová verze je v současné době připravována.

Popis systému OptiPal je zachován pro čtenáře, kteří si jej stáhli již dříve.

Ukázku celého procesu představuje program PalPlan, který je demoverzí systému OptiPal a je umístěn v downloadu e-zinu Programujte. Obsah souboru PalPlan.zip rozbalte do adresáře na HD a odstartujte PalPlan.exe. Zvolte Vložení dat, Testovací data. Do paměti se přečtou data čtyř příkladů. Vyberte jeden z příkladů a klikněte na Vyber. Pro vybraný plán se provádí optimalizace, o jednotlivých krocích se podává hlášení, které je nutno potvrdit tlačítkem OK nebo klávesou Enter.

Nejprve se naplánuje umístění všech polotovarů podle zadaných podmínek na ploše, poté se vyvolá optimalizace trajektorie. Všimněte si časových relací - polotovary jsou na ploše umístěny téměř okamžitě, kdežto evoluční systém pracuje poněkud delší dobu. Je to tím, že plošná optimalizace v tomto systému je jednorázový proces podle pravidel, kdežto optimalizace trajektorie je postupný proces přibližování se k cíli. V jiných, složitějších úlohách plošné optimalizace jsme museli evoluční cestu použít a délka výpočtu byla pak podstatně delší, ale v tomto případě to nebylo nutné. Počet přiblížení v evolučním procesu, tzv. iterací, můžeme ovlivnit v parametrech, ovšem čím menší je počet iterací, tím na jedné straně výpočet trvá kratší dobu, ale na druhé straně mohou být horší výsledky.

Po vytvoření optimálního plánu včetně NC příkazů podá systém hlášení o úspěšném vytvoření plánu.

Průběh pálení je možné zobrazit ve funkcích Náhled, Celkový nebo Náhled, Animace.

• V celkovém náhledu se zobrazí umístění polotovarů na ploše a celá trajektorie hořáku.
• Při animaci se zobrazí polotovary a cesta hořáku při pálení se znázorňuje krok po kroku v časových intervalech. Průběh animace se urychlí, pokud tisknete klávesu End, která znamená další krok bez čekání na uplynutí stanoveného času.

Vstupní data

Vstupní data jsou uložena v souborech:

• pas.txt - údaje o tabuli, na které se pálí polotovary
• tvardesc.txt - geometrické rozměry polotovarů
• palpar.txt - obecné parametry a preference
• polotovar.txt - údaje o polotovarech mimo rozměry
• rozmzk.txt - relativní rozměry
• vprio.txt - preference pro jednotlivé priority

V demoverzi jsou omezeny velikosti tabulí a zkoušek na následující rozměry:

• Velikost zkouškového pásu musí být 3000 x 600 x 40.
• Polotovary mohou mít libovolnou kombinaci rozměrů:
  • šířka = 50, 70, 80, 100
  • délka = 70, 130, 150

Závěr

Systém Optipal je příkladem hybridního inteligentního systému složeného z procedurálního expertního systému dělení materiálu a evolučního systému optimalizace trajektorie hořáku. Je již přibližně 2 roky v rutinním provozu. Dosavadní zkušenosti z provozu ukázaly tyto výhody:

• úspora materiálu vhodným umístěním polotovarů na pás,
• minimalizace počtu zápalů hořáků, snížení jejich opotřebení a úspora drahých náhradních dílů,
• rychlost a efektivita přípravy plánů pro plynulý provoz technologického zařízení,
• automatické respektování složitých technologických podmínek,
• snadná možnost opakování výpočtu za různých podmínek, variabilita při rozhodování.