Экспертная система для мониторинга действий обучаемого на тренажере сварщика

ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2014 №2(11), С. 49-53

ИЗЫСКАНИЕ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ^ СТРОИТЕЛЬСТВО И МОНТАЖ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭС

УДК 004.825

ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ДЕЙСТВИЙ ОБУЧАЕМОГО НА ТРЕНАЖЕРЕ СВАРЩИКА

© 2014 г. В.В. Кривин, И.О. Ишигов, В.А. Толстов

Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного

университета «МИФИ», Волгодонск, Ростовская обл.

В статье описана разработка экспертной системы, выполняющей в компьютерном

тренажёре мониторинг действий сварщика. Мониторинг проводится с целью выявления

состояний, в которых требуется коррекция тех действий сварщика, которые снижают

стабильность процесса сварки.

Ключевые слова: ручная дуговая сварка, моторные навыки, тренажёр, экспертная система.

Поступила в редакцию 24.06.2014 г.

Обучение навыкам ручной дуговой сварки (РДС) является сложным и требует значительных ресурсов. В современной системе обучения сварщиков используют контрольные сварочные процессы совместно с тренажерами, что позволяет повысить качество подготовки [1]. Тренажер позволяет вести мониторинг действий обучаемого и выдавать необходимые рекомендации для корректировки процесса [2]. Чтобы реализовать систему мониторинга, необходимо определить, какими критериями пользовался бы человек, решающий данную задачу. Критерии выводятся на основе практической деятельности людей и отражают накопленные знания об этой деятельности. Поэтому систему мониторинга можно отнести к экспертным [3].

Общая оценка навыков сварщика, обучаемого на тренажёре, является комплексной величиной, которая складывается из оценок отдельных элементарных моторных навыков: поддержание оптимальной длины дуги, стабильность скорости сварки, сварка с определённым углом наклона электрода и т.д. Поэтому необходимо создать и интегрировать в тренажёр РДС экспертную систему, которая будет выводить общую оценку на основе частных оценок по отдельным навыкам. Оценка отдельных навыков сварщика основывается на рекомендациях, приведённых в справочной литературе и учебных пособиях для сварщиков. Рекомендации представляют собой диапазоны оптимальных значений параметров [4]. Например, рекомендуется поддерживать длину дуги в диапазоне от 50% до 110% диаметра электрода. Выход длины дуги за пределы этого диапазона негативно скажется на качестве получаемого сварного соединения. Степень этого влияния может быть охарактеризована человеком-экспертом в области обучения сварщиков в виде высказываний, подобных следующим:

- «качество результата никогда не ухудшится»;

- «качество результата, скорее всего, не ухудшится»;

- «качество результата, скорее всего, ухудшится»;

- «качество результата всегда ухудшится» и т.п.

Выделенные слова выражают степень уверенности эксперта. Для обработки сложных высказываний, которые могут принимать значения не только ЛОЖЬ и ИСТИНА, но и все промежуточные градации между ними, подходит нечёткая логика.

©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2014

Таким образом, способ обработки знаний экспертов задан решаемой проблемой. Чтобы реализовать систему, необходимо получить знания, представить их в базе знаний (БЗ) и определить программное обеспечение, необходимое для реализации.

Базы знаний заполняются на основе взаимодействия с экспертом и анализа учебно-методических материалов, относящихся к предметной области, которой в данном случае является обучение сварщиков РДС. БЗ для вывода на основе нечёткой логики содержит лингвистические переменные, их нечёткие значения и правила вывода. При составлении БЗ был принят ряд упрощений. Неизменными считаются, например: марка электрода (УОНИ) и его диаметр (3 мм), материал заготовки (сталь 3), способ разделки кромок (без разделки), характеристики источника питания, а также положение сварки (нижнее), положение электрода (вертикально). Качество электрода, материала и источника питания считается заведомо хорошим. Величина сварочного тока считается фиксированной и потому не рассматривается в числе входных переменных. Моменты зажигания сварочной дуги и заварки кратера не рассматриваются. Из параметров манипулирования электродом рассматриваются только скорость его движения, наклон и длина дуги. С учетом перечисленных упрощений во взаимодействии с экспертом, а также с использованием учебно-методических материалов были составлены 15 правил вывода для экспертной системы:

1) ЕСЛИ «отклонение дуги по ходу» ЭТО «нет», ТО «наклон электрода по ходу» ЭТО «нет»;

2) ЕСЛИ «отклонение дуги по ходу» ЭТО «назад», ТО «наклон электрода по ходу» ЭТО «назад»;

3) ЕСЛИ «отклонение дуги по ходу» ЭТО «вперед», ТО «наклон электрода по ходу» ЭТО «вперед»;

4) ЕСЛИ «ширина сварочной ванны» ЭТО «правильная», ТО «скорость сварки» ЭТО «нормально»;

5) ЕСЛИ «ширина сварочной ванны» ЭТО «маленькая», ТО «скорость сварки» ЭТО «медленнее»;

6) ЕСЛИ «ширина сварочной ванны» ЭТО «большая», ТО «скорость сварки» ЭТО «быстрее»;

7) ЕСЛИ «длина дуги» ЭТО «правильная», ТО «изменение длины дуги» ЭТО «нет»;

8) ЕСЛИ «длина дуги» ЭТО «маленькая», ТО «изменение длины дуги» ЭТО «увеличить»;

9) ЕСЛИ «длина дуги» ЭТО «большая», ТО «изменение длины дуги» ЭТО «уменьшить».

10) ЕСЛИ «скорость сварки» ЭТО «медленная», ТО «изменение скорости сварки» ЭТО «увеличить»;

11) ЕСЛИ «скорость сварки» ЭТО «быстрая», ТО «изменение скорости сварки» ЭТО «уменьшить»;

12) ЕСЛИ «скорость сварки» ЭТО «нормальная», ТО «изменение скорости сварки» ЭТО «нет»;

13) ЕСЛИ «наклон электрода поперек хода» ЭТО «левее», ТО «изменение наклона электрода поперек хода» ЭТО «правее»;

14) ЕСЛИ «наклон электрода поперек хода» ЭТО «правее», ТО «изменение наклона электрода поперек хода» ЭТО «левее»;

15) ЕСЛИ «наклон электрода поперек хода» ЭТО «нет», ТО «изменение наклона электрода поперек хода» ЭТО «нет»;

Одним из языков представления знаний для систем с нечётким выводом является Fuzzy Control Language (FCL). БЗ на языке FCL представляет текстовый файл

ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, № 2(11) 2014

определённой структуры, в котором содержатся переменные, их значения и правила [5]. Для составления БЗ и отладки ЭС использовано программное обеспечение FuzzyTech - оболочка ЭС, которую необходимо дополнить базой знаний. После создания БЗ и её заполнения, проект ЭС представляется в виде графических блоков, показанных на рисунке 1.

Рис. 1. Преставление ЭС в Fuzzy Tech

Редактор проекта используется для визуализации общей структуры и быстрого доступа к различным инструментам редактирования свойств систем нечеткого вывода в графическом режиме. Двойной щелчок на изображении того или иного блока позволяет открыть окно редактирования свойств соответствующего компонента системы нечеткого вывода. Редактор функций принадлежностей нечётких значений показан на рисунке 2.

Рис. 2. Редактор функций принадлежности ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, № 2(11) 2014

Далее вводим правила вывода в ветви «Rule Blocks» дерева объектов проекта. После этого ЭС готова к работе. Для того чтобы проверить работоспособность построенной модели необходимо запустить режим интерактивной отладки ("Interactive Debug Mode"). В этом режиме можно вручную задавать значения входных переменных и наблюдать выход ЭС. Форма ввода значений переменных показана на рисунке 3.

Рис. 3. Ввод значений переменных

С помощью интерактивного режима были уточнены параметры функций принадлежности нечётких значений переменных. После этого разработанная ЭС была интегрирована в тренажёр для обучения сварщиков РДС. Так как его программное обеспечение реализовано в среде разработки Visual Studio на языке С++, то необходима реализация ЭС в этой же системе. Для этого использована свободная библиотека Free Fuzzy Logic Library (FFLL). Файл на языке FCL, который может использовать данная библиотека, можно получить экспортом данных из оболочки ЭС FuzzyTech. В файле FCL содержатся также параметры нечёткого логического вывода, которые использованы в FuzzyTech. Они принимаются в FFLL при поиске решения, поэтому результаты в обоих случаях совпадают.

Результаты нечёткого логического вывода, исходными данными для которого являются наблюдаемые характеристики сварочного процесса в тренажёре, используются для экранных подсказок, показанных на рисунке 4.

И Мультимедийный тренажёр РДС

HAL (hm vp): I F1 - Справка

Длина цути[м 1.600000; Дугу унеличи 0.564560; ,

Ширина ванн! 5.000000; Скорость сва 14.000000; Скорость уве 3.750000; I

»

I -

Полноэкранный режим Завершить сварку Настройки видео

кл. электрода поперек иоца(грац):

Р;

иь вправо на:

;

ГИ

ррац):

иь наэао на: траектории(мм):

0.000!

КЛ.

5.250001 Dual. Ol

Вести j

i.y. 2.718890; CurPos./: 16.81Б750;

Рис. 4. Экранные подсказки обучаемому сварщику ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, № 2(11) 2014

Также для упрощения восприятия недопустимые значения окрашиваются красным цветом; допустимые, но не оптимальные - жёлтым; оптимальные - зелёным.

Разработанная экспертная система позволяет в реальном времени информировать сварщика и вырабатывать рекомендации об основных параметрах манипулирования электродом. Это уменьшает затраты и повышает эффективность процесса обучения сварщиков РДС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сас, А.В. Методы, методика и электронные тренажеры подготовки и аттестации сварщиков [Текст] / А.В. Сас // Состояние и основные направления развития неразрушающего контроля сварных соединений объектов транспорта газа: материалы отраслевого совещ. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2006. - С. 225-232.

2. Сас, А.В. и др. Мультимедийный тренажер для ручной дуговой сварки [Текст] / А.В. Сас, В.В. Кривин, И.О. Ишигов, В.А. Толстов // Сварочное производство. - 2010. - №5. - С. 57-59.

3. Гаврилова, Т.А. и др. Базы знаний интеллектуальных систем [Текст] / Т.А. Гаврилова, В.Ф. Хорошевский. - СПб.: Питер, 2000. - 384 с.

4. Тудвасев, В.А. Ручная дуговая сварка. Техника и приёмы сварки [Текст] / В.А. Тудвасев. Практическое пособие для сварщиков. Книга 2. - Ростов н/Д: Росиздат, 2012. - 216 с.

5. IEC 1131 - PROGRAMMABLE CONTROLLERS: Part 7 - Fuzzy Control Programming: Committee Draft CD 1.0 (Rel. 19 Jan 97).

The Monitoring Expert System the of Training Welder Action V.V. Krivin, I.O. Ishigov, V.A. Tolstov

Volgodonsk Engineering Technical Institute the Branch of National Research Nuclear University «MEPhI», 73/94 Lenin St., Volgodonsk, Rostov region, Russia 347360 e-mail: VITIkafIUS@mephi.ru

Summary - The article describes the construction of expert system that monitors the action of training welder using the computer simulator. The aim of monitoring is the detection of decreasing welding process stability and correction of welder action.

Keywords: manual arc welding, motion skills, training system, knowledge-based system.

ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, № 2(11) 2014