Analýza a optimalizace – Software 2

V dnešním článku se seznámíte s novým inteligentním systémem Opthan pro analýzu a optimalizaci procesů. Můžete si jej opět stáhnout na stránce http://optiintelligent.cz a je poskytován zdarma pro nekomerční účely. Nahrazuje dříve popsaný systém Eltav, je jednodušší a obsahuje novou metodu nalezení vzorce funkční závislosti.

Úvod

Optimalizace procesů je jednou z důležitých metod, jak mohou výrobní společnosti dosáhnout dobrých ekonomických výsledků. Přitom v současné době již zpravidla není problém získat dostatečné množství dat o průběhu moderního výrobního procesu. Získáme je buď automaticky z čidel na technologických zařízeních, nebo z nadřízeného informačního systému. Problém však je získaná data vyhodnotit, zjistit souvislosti mezi jednotlivými veličinami, odhadnout, které faktory mají vliv na konečný výsledek, a navrhnout, jak můžeme proces ovlivnit tak, abychom dosáhli žádaného výsledku.

Prohlédněte si například soubor analýza_opt_sum.txt v adresáři data. Nejlépe si jej můžete prohlédnout v Excelu, ale stačí i obyčejný textový editor, například Notepad. Jsou v něm čtyři sloupce hodnot pro čtyři proměnné. Na první pohled těžko odhalíte, zda a na kterých proměnných závisí hodnota funkční proměnné f a jak je možné tuto závislost vyjádřit, případně za jakých podmínek dosáhne proměnná f požadovaného minima. Tyto skutečnosti zjistíme pomocí systému Opthan.

Systém Opthan

Systém Opthan slouží k obecné analýze a optimalizaci procesů. Využívá nejmodernějších metod umělé inteligence v kombinaci s původními heuristikami, které byly vyvinuty v průběhu mnohaleté vědecké činnosti autorů. Záměrem bylo poskytnout technologům snadno ovladatelný nástroj pro vyhodnocení rozsáhlého vzorku dat z výrobního procesu, nalezení potenciálních chyb v tomto vzorku, pro vyhledání a grafické znázornění závislosti v procesu a navržení takových kombinací volitelných parametrů, aby výsledný ekonomický efekt byl co nejlepší.

Demo verze

Demo verzi programu je možné využívat pro nekomerční účely, zejména studium a výzkum. Má následující omezení: maximální počet vzorů je 100.

Součástí demo verze je návod k použití, nápověda a několik jednoduchých příkladů vysvětlujících hlavní funkce systému. Příklady jsou pouze informativní, skutečné řešené projekty v průmyslové praxi jsou samozřejmě podstatně složitější.

Zájemcům z řad studentů nabízíme vygenerování plné verze systému pro jeden soubor. Soubor s žádostí o vygenerování vaší verze pošlete na mail na výše uvedené stránce.

Úvodní příklad

Odstartujte systém Opthan a načtěte si soubor data\analyza_opt_sum.txt (Čtení adresář data soubor analyza_opt_sum.txt). Budeme hledat, na čem závisí proměnná označená f (dvojklik levou myší na f v hlavičce tabulky, sloupec se zbarví červeně).

Nejprve vyhledáme proměnné, na kterých funkce f závisí:

• V horní liště musí být zvolená síť sigmoidální (původní hodnota).
• Zaškrtněte Závislosti v levé liště tlačítek pod tlačítkem Učení.
• Klikněte na tlačítko Učení.
• Po nějaké době se objeví Síť naučena, klikněte OK.
• Klikněte levým tlačítkem myši na tlačítko Kontrola.
• V hlavičce tabulky se objeví vliv jednotlivých proměnných na hodnotu funkce f. Vidíte, že f závisí zhruba z poloviny na x a z a zjevně nezáleží na y (pouze 5 %).
• Pro další zpracování vyřadíme proměnnou y (klikněte pravou myší na y v hlavičce tabulky, sloupec zešedne).

Nyní máme pouze ty proměnné, které mají vliv na výsledek. Vyhledáme grafy závislostí.

• Klikněte na OK, procentuální závislost v záhlaví zmizí.
• Zrušte novým kliknutím Závislosti a proveďte znovu učení.
• Označte levou myší sloupec x, sloupec zezelená.
• Zaškrtněte tlačítko Body a stiskněte Zobrazení.
• Vidíte, že nalezená závislost odpovídá zobrazeným bodům. Poznamenejte si, kde křivka nabývá minimum.
• Klikněte na OK, zrušte označení sloupce x a proveďte totéž pro z.

V této chvíli se systém naučil vztahy mezi proměnnými a můžeme optimalizovat.

• Označte x nebo z a klikněte na Optimalizuj.
• Vidíte, že systém přibližně označil hodnotu, při které proměnná nabývá minimální hodnotu. Určitou nepřesností platíme za inteligenci systému, za to že o procesu nic nevíme, a pro skutečnou detailní analýzu je 100 vzorků málo.

Provedli jsme přibližnou optimalizaci, nyní výpočet upřesníme. Jestliže víme, že závislost je nějaký polynom max. třetího stupně, zvolíme jej v horní liště v rozbalovacím okénku a výpočet provedeme znovu.

• Síť v horní liště rozbalíme a zvolíme Polynom.
• Označíme sloupce x a z a provedeme Učení.

Nyní nám již vyjde přesný vzorec závislostí funkční hodnoty polynomické funkce f na proměnných x a z. Ve skutečných případech vyhledáváme samozřejmě podstatně složitější vzorce.

V úvodním příkladu jsme si ukázali, jak přibližně určíme z neznámých dat, které faktory nám ovlivňují výsledek, jak nalezneme křivky závislosti a přibližné optimální nastavení parametrů procesu, a ukázali jsme si rozdíl mezi situací, kdy o procesu nevíme vůbec nic, a situací, kdy můžeme odhadnout alespoň některé jeho charakteristiky. Dále si probereme celý postup podrobněji.

Postup při analýze

Při analýze a optimalizaci systémem Opthan postupujeme následujícím způsobem:

• Odstranění odlehlých dat. Data, která nějakým způsobem přesahují očekávaný rozsah, jsou při kontrole označena barevně. Můžete si je upravit po vybrání příslušného políčka.
• Počáteční kontrola. První učení odhalí základní závislosti v souboru. Při kontrole se zjistí relevantní a nerelevantní data.
• Vytvoření modelu procesu. Z takto získaných kvalitních dat vytvoří systém učením model procesu. Závislosti jednotlivých parametrů si můžete prohlédnout graficky.
• Optimalizace. Technologové většinou vědí, které parametry procesu mohou ovlivnit a v jakém rozsahu. Model procesu můžeme použít k tomu, abychom určili takové parametry, které ovlivní žádoucím směrem kvalitu, náklady nebo jiné výsledky procesu.
• Vyjádření vzorcem. Pokud můžeme závislost alespoň zhruba odhadnout, například je lineární, polynomická, exponenciální nebo kombinace různých faktorů, systém nalezne její vzorec.

Seznam připravených souborů

V adresáři data jsou připraveny ukázkové soubory pro ověření systému:

• Datalin - vzory pro učení lineární funkce.
• Analyza_polynom - vzory pro učení nelineární funkce.
• Analyza_sum - vzory pro učení nelineární funkce zatížené nerelevantním šumem.
• Analýza_opt_sum - vzory pro učení a optimalizaci nelineární funkce 2 proměnných zatížené nerelevantním šumem.

Postup ověření

K dalšímu ověření systému můžete použít výše uvedených připravených souborů. Později si můžete vytvářet vlastní soubory ve stejném formátu. Postupujte následujícím způsobem:

Nalezení obecných závislosti v datech

• Start programu Opthan.exe
• Čtení Data Analyza_polynom.txt
• Učení
• Klikněte na x v horní liště (vybraný sloupec bude označen zelenou barvou)
• Body a pak Zobrazení
• Vidíte, že graf (červená křivka) přibližně prokládá zobrazené body. Určitou nepřesností platíme za inteligenci systému a za zcela obecné řešení.
• Tlačítko OK

Nalezení částečně definované závislosti

• Síť Polynom
• Učení
• Zobrazí se výsledek na 6 destinných míst.
• Ponechte Body, stiskněte Zobrazení. Křivka prokládá body přesně.
• Tlačítko OK

Vyhledání relevantních parametrů

• Čtení Data Analyza_sum.txt
• Síť sigmoidální
• Zaškrtněte Závislosti pod tlačítkem Učení.
• Dvojklik levou myší na y (volíme funkční hodnotu)
• Učení, Kontrola, závislosti jsou v horní liště. Pravým tlačítkem myší v horní liště označte nevýznamné proměnné (závislost kolem 2%) - odstraněné zešednou.
• Tlačítko OK
• Levou myší označte x3.
• Síť Polynom, Učení, zobrazí se výsledek.
• Zobrazení, zobrazí se přesné proložení.
• Tlačitko OK

Lineární závislostí

• Čtení, Data, datalin.txt
• Síť lineární
• Učení, zobrazí se vzorec

Všimněte si, že počet vzorů je podstatně menší a přesnost větší.

Program ukončíte tlačítkem Konec nebo standardním způsobem (Alt+F4, tlačítko x).

Můžete také upravit data, načíst vlastní soubor a pokračovat ve zpracování.

Nápověda

Tlačítkem Nápověda zobrazíte nápovědu k systému. Označením tématu v levém pruhu se vám v pravém poli zobrazí nápověda k příslušnému tématu.