Predstavitev predloga raziskovalnega projekta

Inteligentni sistem za podporo ciljno vodenega konstruiranja

dr. Bojan Dolšak Laboratorij za inteligentne CAD sisteme

Fakulteta za strojništvo, Univerza v Mariboru,

Povzetek: Cilj predlaganega tematsko usmerjenega temeljnega raziskovalnega projekta je razvoj modulno zasnovanega inteligentnega sistema za ciljno vodeno konstruiranje izdelkov iz umetnih mas, pri čemer bodo upoštevani tako proizvodni vidiki, kot tudi ergonomija in estetika. Zaradi vse večje konkurence na trgu, omenjena področja namreč pridobivajo na pomenu in niso več zapostavljena v korelaciji s funkcionalnostjo in ekonomičnostjo izdelka. Temeljni namen je omogočiti hitrejši, kakovostnejši in učinkovitejši razvoj novih izdelkov, tudi manj izkušenim inženirjem. Predviden rezultat načrtovane raziskave je delujoči prototip inteligentnega sistema, ki naj potrdi hipoteze, nakaže možnosti za nadaljnji razvoj in omogoči kasnejšo nadgradnjo.

Ključne besede: razvoj izdelkov, konstruiranje, oblikovanje, smernice, umetne mase, ergonomija, estetika, z znanjem podprt inženiring, inteligentni svetovalni sistem, baza znanja

1. Znanstvena izhodišča ter predstavitev problema in ciljev raziskave V današnjem času lahko na tržišču uspejo le najbolj inovativna proizvodna podjetja, torej podjetja, ki vlagajo v razvoj in so v koraku s konkurenco, pri čemer težijo k vodilnemu mestu na svojem področju. V preteklosti so se konstrukterji pri razvoju izdelka odločali predvsem za dobro poznane in preizkušene materiale kot so les, kovina in keramika, danes pa lahko te materiale nadomestijo z drugimi, katerih lastnosti so lahko bolj ugodne za določen tip izdelka. Med takšne materiale prištevamo tudi umetne mase s plastičnimi materiali na čelu, ki lahko ponudijo optimalne lastnosti izdelka za bistveno nižjo ceno. Ker je izbor materialov na trgu zelo obširen, je pri snovanju določenega izdelka potrebna večja ekipa ekspertov, torej strokovnjakov tega področja, pri čemer se mora konstrukter zanesti na njihovo znanje in izkušnje. Iz zgoraj napisanega lahko povzamemo naslednje ključne probleme, ki se pojavljajo pri razvoju izdelkov iz umetnih mas: • Umetne mase niso ustrezno zastopane v inženirski praksi zaradi njihovega nepoznavanja,

tradicije uporabe kovin, lesa in keramike, obširnega izbora umetnih mas in preširokega spektra znanja o teh materialih in njihovih lastnostih za eno osebo/konstrukterja.

• Informacije o umetnih masah, njihovih lastnostih, ter primernih obdelovalnih postopkih za obdelavo le-teh, kot tudi pripadajoča konstrukterska priporočila niso primerno zbrana in urejena, zato je inženirska raba otežena.

Ob izbiri ustreznega materiala izdelka pa so, predvsem v primeru izdelkov široke potrošnje, pomembni tudi drugi vidiki oblikovanja, ki postajajo dandanes vse bolj nepogrešljivi. Med njimi sta tudi estetika in ergonomija, ki sta bili v preteklosti velikokrat neupravičeno zapostavljeni v primerjavi s funkcionalno in ekonomično učinkovitostjo novega proizvoda. Konstrukterji in oblikovalci se srečujejo z različnimi dilemami glede oblike (estetike) in v povezavi z njo tudi ergonomije izdelka, kar jih mnogokrat sili v različne kompromise. Da bi bili ti kompromisi optimalni, morajo oblikovalci poznati tako področje ergonomije kot tudi estetike, oziroma mora pri razvoju izdelka tudi v tem primeru sodelovati ekipa strokovnjakov različnih profilov, katerih naloga je predvsem nudenje ekspertne pomoči. Kot alternativo ekipi ekspertov s področij estetike, ergonomije in umetnih mas predlagamo razvoj inteligentnega svetovalnega sistema z ekspertnim znanjem s področij estetike, ergonomije in umetnih mas. Predlagani inteligentni svetovalni sistem bodo sestavljali trije moduli:

Stran 1 od 11

• inteligentni modul za konstruiranje (oblikovanje) izdelkov iz umetnih mas, • inteligentni modul za estetsko oblikovanje (konstruiranje) in • inteligentni modul za ergonomsko oblikovanje (konstruiranje).

Modularna zasnova inteligentnega svetovalnega sistema bo omogočala samostojno uporabo posameznega modula, ob uporabi več modulov hkrati, pa bo sistem kot končno rešitev predlagal optimalno kombinacijo rešitev vseh uporabljenih modulov, kar je pomembno predvsem pri sočasni uporabi modulov za estetsko in ergonomsko oblikovanje. Glavni cilj predlaganega tematsko usmerjenega temeljnega raziskovalnega projekta je razvoj svetovalnega inteligentnega sistema za ergonomsko in estetsko oblikovanje izdelkov iz umetnih mas, ki bo konstrukterju nudil podporo pri razvoju izdelkov na tem področju. Glavni raziskovalni izziv predlaganega projekta se torej nanaša na raziskovanje in upravljanje s podatki in z znanjem. Zajemanje znanja bo predvidoma strokovno in časovno najzahtevnejše opravilo, ki bo usmerjeno v izgradnjo baze znanja, v kateri bo znanje s problemskega področja zbrano, urejeno in zapisano na takšen način, da bo možna njegova učinkovita uporaba v okviru inteligentnega sistema. Omenjeni inteligentni svetovalni sistem bo velika pridobitev za mnoga, predvsem manjša in srednje velika podjetja, saj bodo tudi manj izkušeni konstrukterji (oblikovalci) brez podpore ekipe ekspertov lahko prišli do optimalnih konstrukterskih rešitev. Inteligentni sistem bo predvidoma v veliki meri nadomestil skupino ekspertov, ki bo tako imela več časa za razvoj novih tehnologij in plemenitenje znanja. 2. Pregled in analiza dosedanjih raziskav in relevantne literature Moderno konstruiranje si težko predstavljamo brez računalniške podpore. Pravzaprav je računalniško podprto konstruiranje (Ang.: Computer Aided Design = CAD) tako razširjeno, da večina podjetij večji del konstrukcijskega procesa izvede z uporabo CAD sistemov. Obstaja pa tudi mnenje, da so prednosti, ki jih CAD orodja prinašajo, pod pričakovanji. Menimo, da leži razlog za to v trenutni neustreznosti obstoječih CAD sistemov v smislu nudenja strokovne pomoči inženirju med procesom konstruiranja novega izdelka. Podpora konstrukterju je torej ozko grlo, ki ga želimo odpraviti s povečanjem »inteligence« CAD sistemov (Finger et al., 2000). Dokazano je, da povečanje inteligence obstoječe računalniške programske opreme, kot je CAD sistem, vodi k pomembnemu napredku na področju učinkovitosti in zanesljivosti pri opravljanju različnih inženirskih nalog, tudi konstruiranju. Uporaba umetne inteligence (Ang.: Artificial Intelligence = AI) v konstruiranju je realnost in predmet intenzivnega razvoja. Prispevki z mednarodne znanstvene konference “AI in Design” (Slo.: umetna inteligenca v konstruiranju), ki jih je uredil J. S. Gero (2002), predstavljajo obsežno zbirko člankov na to temo. Podatki, ki jih v začetni fazi razvoja izdelka dobi konstrukter, so ponavadi slabo definirani in skoraj nikoli niso popolni. Izkušeni inženirji lahko tudi na podlagi takšnih podatkov razmeroma učinkovito delujejo, medtem ko bi “inteligentni” programi s tem lahko imeli težave. Večina konstrukterjev tudi nerada prepušča odgovornost sprejemanja odločitev računalniškemu programu, ne glede na stopnjo njegove kompetentnosti. Nadalje bi lahko tudi ocenili, da računalniške baze znanja na nek način zavirajo kreativnost konstrukterjev. To je še posebej pomembno pri konstruiranju na specifičnih področjih, za katere so značilni specifični kriteriji in omejitve in tako zahtevajo poseben pristop k procesu konstruiranja oz. ciljno vodeno konstruiranje. Iz navedenih razlogov je računalniška (inteligentna) podpora ciljno vodenemu konstruiranju, vključno s področjem, ki je predmet raziskav v predlaganem projektu, še vedno omejena in temu primerno neučinkovita. V nadaljevanju sta omejena analiza dosedanjih raziskav in pregled izbrane relevantne literature predstavljena ločeno, za vsak vidik konstruiranja, ki ga bomo obravnavali v predlaganem projektu, torej za konstruiranje izdelkov iz umetnih mas, konstruiranje za ergonomijo in konstruiranje za estetiko.

2.1. Konstruiranje izdelkov iz umetnih mas Konstruiranje izdelkov iz umetnih mas zahteva upoštevanje in izvedbo mnogih korakov in postopkov, ki so pogoj za uspešno konkuriranje na svetovnem trgu (Gordon, 2003). Takšen proces je preveč kompleksen za enega konstrukterja.

Stran 2 od 11

Pri izboru različnih konstrukterskih rešitev, materialov in obdelovalnih postopkov je potrebnega preveč znanja, da bi lahko en sam konstrukter sprejemal optimalne odločitve. Proces konstruiranja torej zahteva timsko delo, kjer se konstrukter posvetuje s strokovnjaki za materiale, orodje, opremo, vzdrževanje, itd. Konstruiranje izdelkov z današnjimi polimeri zahteva kar se da globalen inženirski pristop, zato je računalniška podpora procesa konstruiranja izdelkov iz umetnih mas bistvenega pomena. Na omenjenem področju konstruiranja je bilo objavljenih že precej aplikacij AI. Pred več kot desetimi leti je Rapra Technology Ltd. (1996) objavila prvi z znanjem podprti računalniški sistem za plastično industrijo. Kasnejše aplikacije AI so bile osredotočene na različne konstrukterske procese, npr. izbiro specifičnih materialov, kot je keramika (Sapuan et al., 2002), ali na uporabo posebnih obdelovalnih in pripadajočih orodjarskih procesov, kjer je v ospredju predvsem brizganje plastike (Wang, 2000; Mok et al., 2008). Še vedno pa ni zaslediti objav o raziskavah namenjenih razvoju inteligentnega sistema za podporo celotnemu procesu konstruiranja izdelkov iz umetnih mas, ki bi uporabniku posredoval praktične nasvete in konstrukterska priporočila. Raziskave v okviru predlaganega projekta tako predstavljajo nov pristop na tem področju.

2.2. Konstruiranje za ergonomijo Računalniška podpora ergonomskemu oblikovanju izdelkov je usmerjena predvsem k integriranim orodjem, ki omogočajo uporabo podatkov različnih virov med izvajanjem ergonomskih analiz proizvodov ali delovnih procesov (Kroemer et al., 2000). V razvoju teh računalniških orodij sta se uveljavila dva pristopa (Feyen et al.; 2000). En pristop je orientiran v razvoj t.i. samostojnih ergonomskih CAD orodij, ki v eni celoti vključujejo orodja za ergonomske analize in večinoma poenostavljen modul za tridimenzionalno modeliranje. Alternativen pristop je usmerjen v razvoj t.i. združljivih ergonomskih orodij, ki temeljijo na posebnih modulih in omogočajo ergonomske analize znotraj komercialnih CAD sistemov, ki se uporabljajo za tridimenzionalno modeliranje in imajo tudi ustrezen uporabniški vmesnik. Obe skupini orodij lahko označimo kot konvencionalno programsko opremo, ki omogoča izvajanje različnih ergonomskih analiz in simulacij. Z uporabo teh orodij lahko oblikovalec oceni ergonomsko vrednost določenega izdelka. Vendar pa v primeru, ko je potrebno izdelek ergonomsko izboljšati, konstrukter ne more pričakovati strokovnega nasveta. Na podlagi analize relevantne literature je moč zaključiti, da na tem pomembne področju še ni bilo resnih poskusov uvajanja metod AI.

2.3. Konstruiranje za estetiko Faza estetskega oblikovanja izdelkov, predstavlja zelo ozko grlo s stališča računalniško podprtih CAD tehnologij, saj na tem področju ni na razpolago ustreznega komercialnega programskega orodja. Oblikovalci so tako prisiljeni zaupati lastnim kreativnim in estetskim sposobnostim ter občutkom, če želijo oblikovati kompleksne in zahtevne izdelke, kot so npr. avtomobilska karoserija, gospodinjski pripomočki, igrače, embalaža in podobno. Aktivno delo na tem področju predstavljata dva evropska projekta: FIORES in FIORES-II (FIORES - Formalization and Integration of an Optimized Reverse Engineering Styling). Vendar pa tudi ta dva projekta ne posegata v področje svetovanja oblikovalcu pri razvoju novega izdelka, temveč mu nudita samo omejeno pomoč pri ohranjevanju določene oblikovne karakteristike v procesu korigiranja oblike, predvsem zaradi določenih tehnoloških oz. konstrukcijskih zahtev (Giannini, Monti; 2002). Tudi v tem primeru zaenkrat ni podatkov o kakršnikoli uspešni aplikaciji AI na omenjenem področju. 3. Podroben opis vsebine raziskovalnega projekta 3.1. Predstavitev problema Danes se z razvojem novih izdelkov ukvarjajo mnoga uspešna proizvodna podjetja. Vsak nov izdelek je izpostavljen konkurenčni bitki na tržišču, kjer so lahko uspešni le vsestransko optimalno zasnovani izdelki. Nekateri razvojni vidiki izdelka, kot so: proizvodnja, ergonomija, estetika in drugi, ki so bili v preteklosti velikokrat neupravičeno zapostavljeni v primerjavi s funkcionalno in ekonomično učinkovitostjo novega proizvoda, postajajo dandanes zato vse bolj pomembni.

Stran 3 od 11

Uporaba računalniško podprtega konstruiranja (Angl.: Computer Aided Design = CAD) je v modernem procesu konstruiranja neizogibna za vsa podjetja, ki želijo konkurirati na trgu. Obstoječe različice CAD programskih paketov so osredotočene predvsem na grafični prikaz konstrukcije izdelka, medtem ko uporabniku ne nudijo strokovne pomoči pri odločanju oz. ne podajajo konstrukcijskih smernic. V praksi se konstrukterski projekti začnejo s problemom, ki je konstrukterju predstavljen s strani kupca ali vodstva podjetja. Konstrukterju so posredovani podatki o cilju/namenu izdelka, torej njegovi funkciji, o kriterijih, ki morajo biti izpolnjeni (npr. kvantiteta proizvodnje) in omejitvah v okviru katerih mora biti osnovni cilj/namen dosežen. Cilj je eksplicitno določen in ga ne moremo spreminjati, medtem ko ostajajo nekateri kriteriji in omejitve še neznani. Obstoječa CAD orodja trenutno še niso dovolj razvita za svetovanje uporabniku pri izbiri in definiranju že omenjenih kriterijev ter omejitev. Kvaliteta konstrukcijskih rešitev je torej še vedno odvisna od konstrukterjevega znanja in izkušenj. Konstrukterji/oblikovalci se tako srečujejo z mnogimi dilemami glede različnih vidikov izdelka, kar jih mnogokrat sili v sprejemanje kompromisov. Da bi bili ti kompromisi kar se da optimalni, morajo konstrukterji imeti zelo široko znanje in poznati vse vplivne parametre, oziroma mora pri razvoju izdelka sodelovati ekipa strokovnjakov različnih profilov. Specifikacija izdelka in potrebe kupca so glavne smernice v konceptualni fazi razvoja izdelka. Vodja razvojnega projekta in njegova ekipa ekspertov imajo velikokrat težave pri povezovanju specifikacij in potreb kupca, zato se mnogi inženirji zatekajo k t.i. ciljno vodenemu konstruiranju oz. uporabi metode "Konstruiranje za X" (Angl.: Design for X = DFX), kjer X predstavlja enega od kriterijev. Le-ti so lahko splošni, kot zanesljivost, primernost za montažo, vzdrževanje, do bolj specifičnih, kot vpliv na okolje, estetska in ergonomska vrednost, ipd. V praksi se največ uporablja princip konstruiranja za proizvodnjo (Angl.: Design for Manufacturing = DFM), saj le ta neposredno vpliva na proizvodne postopke in s tem povezane stroške. Rezultat učinkovite uporabe omenjene metode so nizki proizvodni stroški, pri čemer se kvaliteta izdelka bistveno ne spremeni. Uspeh pa je odvisen tudi od razvojne ekipe in zunanjih ekspertov, ki morajo medsebojno sodelovati in prispevati svoj delež znanja, pri čemer pa ne smejo pozabiti na druge konstrukterske vidike, ki so prav tako pomembni. Kot je razvidno iz zgornjega dela slike 1, sledi sistematični razvoj izdelka štirim osnovnim fazam konstruiranja, torej načrtovanju, koncipiranju, snovanju in razdelavi. Konstrukter med posameznimi fazami napreduje na podlagi lastnega znanja in znanja ekipe ekspertov. Kot alternativo široki ekipi ekspertov, ki vedno ni na razpolago, ter kot nadgradnjo obstoječih sistemov za računalniško podprto konstruiranje, bomo razvili inteligentni svetovalni sistem za podporo v procesu ciljno vodenega konstruiranja. Predlagan sistem bo predvidoma obsegal več inteligentnih modulov, katerih osnova bo baza znanja določenega področja. V okviru projekta se bomo podrobneje posvetili razvoju treh modulov in sicer: • inteligentnega modula za konstruiranje izdelkov iz umetnih mas, • inteligentnega modula za ergonomsko oblikovanje in • inteligentnega modula za estetsko oblikovanje izdelkov.

Drugi in tretji inteligentni modul sta med seboj tesno povezana, saj se estetika in ergonomija določenega izdelka med seboj prepletata, dopolnjujeta in včasih v določeni meri tudi izključujeta. Na spodnjem delu slike 1 je prikazana zamisel predlaganega inteligentnega sistema, kjer je omenjen tudi modul za podporo inženirskim analizam, ki smo ga v naši raziskovalni skupini že razvili, v prihodnosti pa obstaja možnost za razvoj novih modulov s področja ciljno vodenega konstruiranja. Zaokrožena zbirka inteligentnih modulov za podporo uporabniku, bo predvsem manj izkušenemu konstrukterju olajšala delo, saj bo s priporočili in smernicami, ki jih bo pridobil z uporabo inteligentnega sistema lažje in hitreje poiskal optimalne rešitve razvojnih nalog.

Stran 4 od 11

Slika1: Proces razvoja izdelka podprt z inteligentnim svetovalnim sistemom

3.2. Inteligentna računalniška podpora v procesu konstruiranja Na področju konstruiranja se uporaba metod umetne inteligence (Angl.: Artificial Intelligence = AI) v splošnem nanaša na proučevanje, kako konstrukterji pri svojem delu uporabljajo človeško inteligenco in kako jim pri tem s pomočjo računalniških tehnologij pomagati. Omenjene aplikacije so predstavljene predvsem s hevrističnim znanjem, ki pa se ga težje predstavi s tradicionalnimi matematičnimi pristopi. Področje umetne inteligence, ki se ukvarja z razvojem takšnih predstavitev imenujemo ekspertni sistemi oz. bolj splošno na znanju temelječi sistemi, ali tudi inteligentni računalniški sistemi. Predpogoj za delovanje inteligentnega sistema je obstoj baze znanja, ki je osnova računalniškega z znanjem podprtega inženiringa (Angl.: Knowledge Based Engineering = KBE). Pri omenjeni metodi je znanje o izdelku oz. tehnologiji, analizah ali proizvodnji zbrano v bazi znanja oz. modelu izdelka/procesa. Model predstavlja inženirski cilj, ki je skrit za geometričnim modelom in vsebuje podatke o konstrukciji izdelka, kot npr. tip materiala, funkcijske omejitve, geometrijo, ipd. AI tehnologija je še vedno predmet obsežnih raziskav in razvoja, kljub temu pa so že mnoge obstoječe uspešne aplikacije AI dokaz o uporabnosti te tehnologije kadar gre za reševanje nedeterminističnih problemov, ki jih ne moremo ustrezno obravnavati s konvencionalnimi pristopi, razen v primeru, da uporabnik poseduje specialna strokovna znanja in izkušnje. Proces konstruiranja nedvomno spada med takšna področja. Inteligentno računalniško podporo za konstruiranje lahko zajamemo v štirih obsežnih skupinah: (1) inteligentni svetovalni sistemi za neizkušene uporabnike, (2) inteligentni sistemi za “avtomatizacijo” konstruiranja določenega tipa izdelka, (3) inteligentni sistemi za pomoč pri inženirskih analizah, (4) inteligentni sistemi za ciljno vodeno konstruiranje.

Predlog raziskovalnega projekta se nanaša na razvoj inteligentnih modulov, ki pripadajo zadnji skupini sistemov v navedenem seznamu (4), z usmeritvijo na zelo aktualno in zanimivo, hkrati pa tudi zelo pomembno področje konstruiranja izdelkov iz umetnih mas z ustrezno ergonomsko in estetsko vrednostjo.

Stran 5 od 11

3.3. Inteligentni modul za konstruiranje izdelkov iz umetnih mas Za uspešen razvoj izdelka je potrebno upoštevati več različnih faktorjev. Eden od njih je tudi izbira ustreznega materiala. Danes lahko konstrukterji izbirajo med več kot 120 tisoč materiali, med katerimi je večina umetnih mas, ki jih delimo v več osnovnih družin. Vsaka od njih je edinstvena in je primerna za določene izdelke in aplikacije. Umetne mase lahko nadomestijo kovino, les ali keramiko pri konstruiranju novih izdelkov, njihove lastnosti pa se lahko izboljšajo pri mešanju z drugimi umetnimi masami, polnili, ojačitvenimi vlakni ali modifikatorji vključno z barvo. Na takšen način lahko razvijemo edinstvene in nevsakdanje materiale za posebne izdelke. Danes umetne mase izpolnjujejo in zadovoljujejo vse večje potrebe kupca po zniževanju stroškov. Dejstvo pa je, da umetnih mas ne moremo uporabiti za vse vrste izdelkov, čeprav je takšnih aplikacij relativno malo in se nanašajo predvsem na izpostavljenost visokim temperaturam, statičnim obremenitvam ali agresivnim kemičnim procesom. Na izbiro materiala za določen izdelek vpliva veliko faktorjev. Ob osnovnih zahtevah in potrebah, ki so za določeno aplikacijo specifične, je potrebno upoštevati tudi dodatne faktorje kot so priporočila dobavitelja materiala, pretekle izkušnje, izbor konkurence, in podobno. Materiala pa seveda ni mogoče izbrati neodvisno od izbire proizvodnih postopkov s katerimi bo izdelek izlit, sestavljen, finaliziran oz. kakorkoli drugače obdelan. Prav tako pomemben je tudi vpliv materiala na okolje. Današnjega življenja si skoraj ne moremo predstavljati brez umetnih mas. Kljub temu je večina konstrukterjev še vedno bolje izučena za konstruiranje s kovinami. Njihova izbira materiala za nov izdelek temelji predvsem na izkušnjah, kreativnosti in aplikacijskih zahtevah izdelka. Konstrukter mora slediti številnim korakom in postopkom v procesu konstruiranja, da lahko podjetje s svojimi izdelki konkurira na svetovnih trgih. V primeru uporabe umetnih mas mora konstrukter v procesu razvoja izdelka sprejeti toliko različnih odločitev, od izbire materiala do izbire proizvodnega procesa, itd., da bi ob tem potreboval več znanja kakor ga običajno ima sam. Zato se mora posvetovati s strokovnjaki različnih področij. Konstruiranje z umetnimi masami zahteva bolj zavzet in napreden inženirski pristop kot konstruiranje kadarkoli v preteklosti. To velja še posebej za komponente, ki so del nekega bolj kompleksnega izdelka, pri čemer je izziv zmanjšati oz. odstraniti vezne elemente, ki so potrebni za sestavo. Iz tega lahko sklepamo, kako veliko vlogo igrajo principi DFX pri konstruiranju izdelkov iz umetnih mas. Čeprav je metodologija DFX izrednega pomena za razvoj izdelkov iz umetnih mas, lahko konstrukterji pričakujejo relativno zelo omejeno podporo pri sprejemanju ključnih odločitev v procesu konstruiranja, ki mora zagotoviti visoko kakovost ob minimalnih stroških. Ekspertna podpora konstrukterju pri sprejemanju odločitev je nujna, saj lahko le tako pričakujemo uspešno konstruiranje izdelkov iz umetnih mas. Iz tega razloga smo se odločili, da bomo razvili inteligentni, z znanjem podprt, računalniški svetovalni sistem.

Slika 2: Z znanjem podprto računalniško konstruiranje izdelkov iz umetnih mas

Slika 2 prikazuje predviden pretok podatkov, vsebino baze znanja in nenazadnje vhodne/izhodne podatke v procesu, kjer je uporabljen z znanjem podprt računalniški svetovalni sistem za konstruiranje izdelkov iz umetnih mas. Glavna prednost predlaganega sistema je svetovanje konstrukterju, z namenom da izbere najustreznejši material za določen izdelek, v nadaljevanju pa tudi proizvodne parametre, konstrukcijske smernice, ter priporočila za izdelavo orodja s čimer lahko zagotovimo visoke kakovostne standarde in nizke proizvodne stroške.

Stran 6 od 11

Slika 3: Konstruiranje z inteligentnim svetovalnim sistemom in konvencionalni pristop

Na sliki 3 je prikazana primerjava med konstruiranjem s konvencionalnim pristopom in s pomočjo predlaganega inteligentnega svetovalnega sistema. Konstrukter prejme zahteve, želje, pogoje in roke s strani vodstva podjetja. Njegova naloga je razvoj modela, orodja ali končnega izdelka z vodenjem celotnega razvojnega procesa. Kot že omenjeno, ena oseba/konstrukter ni sposobna absorbirati tako širokega spektra znanja, da bi lahko sprejemala ustrezne odločitve. V takšnem primeru se mora konstrukter posvetovati s strokovnjaki kot so tehnolog, kemik, orodjar in ekonomist, saj mu le-ti lahko posredujejo potrebno ekspertno znanje s svojih področij. Rezultat takšnega sodelovanja je optimalna rešitev. Alternativa ekipi ekspertov, ki sodeluje pri sprejemanju odločitev v procesu razvoja izdelka, je lahko predlagan inteligentni svetovalni sistem. Ob tem je potrebno omeniti, da se v praksi včasih še vedno pojavlja zaporeden proces konstruiranja, kjer kupčeve zahteve dominirajo nad tehničnimi kriteriji. Posledice nemalokrat predstavljajo oviro za konstrukterja in tehnologa, saj zaradi omejitev ne moreta optimirati izdelka oz. procesa. V takšnem primeru je računalniška inteligentna podpora še posebnega pomena. Z uporabo predlaganega sistema bodo tudi manj izkušeni inženirji sposobni sprejemati pravilne odločitve. Ekipa ekspertov se bo tako zmanjšala, kupec pa bo dobil izdelek v krajšem času. S takšnim računalniškim orodjem lahko postane poslovni cilj »maksimalna kakovost ob minimalnih stroških« dosegljiv tudi za podjetja, ki potrebne ekipe ekspertov velikokrat sploh nimajo.

3.4. Inteligentna modula za pomoč pri ergonomskem in estetskem oblikovanju Nekateri oblikovni vidiki izdelka, kot sta estetika in ergonomija, ki so bili v preteklosti velikokrat neupravičeno zapostavljeni v primerjavi s funkcionalno in ekonomično učinkovitostjo izdelka, postajajo dandanes vse bolj nepogrešljivi. Oblikovalci in konstrukterji se srečujejo z različnimi dilemami glede oblike (estetike) in v povezavi z njo tudi ergonomije izdelka, kar jih mnogokrat sili v različne kompromise. Da bi bili ti kompromisi optimalni, morajo oblikovalci poznati tako področje ergonomije, kot tudi estetike, oziroma mora pri razvoju izdelka sodelovati ekipa strokovnjakov različnih profilov, katerih naloga je predvsem nudenje ekspertne pomoči.

Stran 7 od 11

Kot alternativo ekipi ekspertov s področij estetike in ergonomije predlagamo razvoj dveh modulov inteligentnega svetovalnega sistema za ciljno vodeno konstruiranje:

• inteligentni modul za ergonomsko oblikovanje • inteligentni modul za estetsko oblikovanje

Oba modula bosta v okviru predlaganega inteligentnega svetovalnega sistema lahko delovala samostojno, pomembna prednost pa bo sočasno delovanje obeh modulov, kjer bo prišlo tudi do določenih medsebojnih odvisnosti pri iskanju možnih rešitev. Slika 4 prikazuje proceduro iskanja rešitev ob podpori inteligentnih modulov, vključno z usklajevalnim procesom med estetskimi in ergonomskimi priporočili, ki so lahko v določenih primerih celo izključujoča.

Slika 4: Inteligentni pod-sistem za estetsko in ergonomsko oblikovanje

Zaradi možnosti sočasnega in soodvisnega delovanja, bo razvoj modulov za estetsko in ergonomsko oblikovanje potekal sočasno, pri čemer bo izpostavljena predvsem njuna povezanost oziroma soodvisnost. Za doseganje ustreznega nadzora nad obema moduloma, bomo zasnovali dve ločeni bazi znanja, ki bosta zajemali teoretično in praktično znanje s področja estetskega in ergonomskega oblikovanja. V primeru uporabe samo enega modula, bo skupni mehanizem sklepanja uporabil samo bazo, ki pripada uporabljenemu modulu, v primeru uporabe obeh podsistemov, pa bosta seveda uporabljeni obe bazi, pri čemer bo mehanizem sklepanja izvedel tudi potrebna usklajevanja. Predlogi in priporočila, ki jih bosta modula predlagala, bodo izbrana na podlagi ekspertnega znanja zbranega v bazah znanja in specifičnih podatkov o obravnavanem primeru, ki jih bo podal uporabnik. Na voljo bo tudi pojasnjevalni mehanizem, ki bo ponujal možnost pojasnjevanja delovanja mehanizma sklepanja in s tem tudi izbire predlaganih rešitev. Slika 5 prikazuje arhitekturo in pričakovano delovanje obeh predlaganih inteligentnih modulov. Inteligentni modul za ergonomsko oblikovanje bo nudil pomoč in podporo uporabniku med poizvedovanjem, izbiro in aplikacijo ergonomskih priporočil, ki bodo vključena v ekspertno bazo znanja. V bazo znanja bodo vključeni tudi ustrezni antropometrični podatki. Inteligentni modul za estetsko oblikovanje pa bo namenjen svetovanju in vodenju konstrukterja oziroma oblikovalca skozi fazo estetskega oblikovanja v razvoju izdelka. Da bi zagotovili uporabo ustreznega ekspertnega znanja s področja estetskega oblikovanja, bo zgrajena baza znanja, ki bo vsebovala pravila in priporočila s področja estetskega oblikovanja. Estetski elementi kot so: proporc, harmonija, smer, ukrivljenost in drugi, bodo proučeni in vključeni v bazo znanja. Predlagana inteligentna modula bosta povečala učinkovitost razvoja proizvodov in hkrati omogočala manj izkušenim konstrukterjem oziroma oblikovalcem doseči kvalitetnejše rezultate pri estetskem in ergonomskem oblikovanju.

Stran 8 od 11

Slika 5: Arhitektura in delovanje inteligentnih modulov 4. Predviden program dela Predvidene metode dela obsegajo predvsem nadgradnjo temeljnih konstrukcijskih znanj s specialnimi znanji s področja ciljno vodenega konstruiranja. Na eni strani gre predvsem za znanja povezana z izbiro sodobnih umetnih materialov in z njimi povezanih izdelovalnih postopkov, ter s posebnimi priporočili in smernicami za konstruiranje izdelkov iz umetnih mas, na drugi strani pa z metodami in pristopi s področja estetskega oblikovanja in ergonomije. Pri razvoju predlaganega inteligentnega sistema bodo nova spoznanja nadgrajena z uporabo metod umetne inteligence, pri čemer bodo igrali najpomembnejšo vlogo predvsem različni pristopi k zajemanju znanja, ter ustrezni formalizmi za vključitev pridobljenega znanja in izkušenj v računalniški program. Da bi lahko zgradili kvalitativno ustrezne baze znanja bo potrebno pregledati in analizirati trenutno stanje na problemskem področju, ter poiskati, pripraviti in urediti vire, iz katerih se bo zajemalo znanje z obravnavanih področij. Zbrano znanje bo nato potrebno ovrednotiti, ter oblikovati ustrezna priporočila, ki bodo zbrana na enem mestu in bodo tako omogočala uspešno izgradnjo baz znanja, kakor tudi, lažji in učinkovitejši konvencionalni razvoj novih ergonomsko in estetsko ustreznih izdelkov iz umetnih mas. Da bi bil sistem kar se da enostaven, pregleden in jasen, bomo posebno pozornost posvetili tudi razvoju uporabniškega vmesnika. Uporabnik bo s sistemom komuniciral interaktivno preko skupnega uporabniškega vmesnika, za katerega sta, glede na tip podatkov, predvidena dva načina delovanja: • vodeni način (vprašanje in odgovor) in • grafični način.

Prvi način bo uporabljen največkrat v začetni fazi uporabe modulov, ko bo potrebno definirati osnovne podatke, s katerimi bo uporabnik problem predstavil sistemu. Med obdelavo podatkov, bo sistem po potrebi zahteval še dodatna pojasnila, pri čemer pa bosta v veliki večini primerov uporabljena oba načina delovanja uporabniškega vmesnika. Pri predstavitvi rezultatov bo, v kolikor bo to le mogoče, uporabljen grafični način.

Stran 9 od 11

5. Pomen pričakovanih rezultatov raziskovalnega projekta 5.1. Pomen za razvoj znanosti oziroma stroke Ciljno vodeno konstruiranje izdelkov iz umetnih mas, ki so tudi ergonomsko in estetsko ustrezni, trenutno sloni predvsem na znanju in izkušnjah strokovnjakov, ki sodelujejo v razvojnem procesu. Z razvojem predlaganega inteligentnega svetovalnega sistema bomo to znanje in izkušnje zbrali, sistematizirali in uredili v bazi znanja. Pri izgradnji baze znanja pričakujemo tudi nova znanstvena spoznanja in zakonitosti z obravnavanega področja, ki so sedaj zaradi slabe strukturiranosti znanja v obliki izkušenj, prikrite. Spoznanja in rezultati projekta bodo uporabni tudi na širšem raziskovalnem področju pri razvoju drugih inteligentnih sistemov za ciljno vodeno konstruiranje.

5.2. Usklajenost z razvojno politiko Republike Slovenije Vsebina predlaganega raziskovalnega projekta se neposredno nanaša na prva tri področja, ki so v Resoluciji o nacionalnem raziskovalnem in razvojnem programu za obdobje 2006–2010 navedena kot posebej perspektivna za Slovenijo. Gre namreč za razvoj informacijskih tehnologij, obravnavo naprednih nekovinskih materialov in uporabo kompleksnih inteligentnih sistemov, ki že sami po sebi v industrijski praksi še vedno predstavljajo inovativne tehnologije.

5.3. Neposredni pomen projekta za gospodarstvo in družbo V razvitem svetu je računalniški z znanjem podprt inženiring v velikih sodobnih gospodarskih sistemih (vojaška, letalska, avtomobilska industrija) že zelo uveljavljen. Zavedanje o možnostih, ki jih te tehnologije ponujajo in o potrebi po uporabi teh tehnologij pa je že prisotno tudi v malih in srednje velikih podjetjih, ki pa v mnogih primerih nimajo dovolj lastnih kadrov in sredstev za razvoj in implementacijo inteligentnih računalniških sistemov v svoj razvojni proces. Takšna podjetja prevladujejo tudi v Sloveniji. Temeljne raziskave s področja računalniškega z znanjem podprtega inženiringa, katerih rezultati predstavljajo podporo pri razvoju novih sodobno zasnovanih proizvodov, so zato za našo družbo zelo pomembne, še posebej v času, ko z visoko stopnjo gospodarske rasti slovensko gospodarstvo v mnogih primerih že stopa v korak z razvitim svetom. Brez takšne podpore raziskovalne sfere se namreč v pretežnem delu gospodarstva pojavlja nevarnost, da bi z znanjem v pretežni meri upravljali tuji strateški partnerji, hkrati pa bi naše okolje postalo nezanimivo za najbolj usposobljene in perspektivne razvojne kadre.

5.4. Posredni pomen projekta za družbo Z uporabo predlaganega inteligentnega sistema bodo lahko tudi manjša podjetja na trgu nastopala z optimalno oblikovanimi izdelki, ob sprejemljivih razvojnih stroških, kar bo znižalo cene in povečalo njihovo konkurenčnost. Predlagani sistem pa bo lahko služil tudi izobraževanju študentov tehnike in oblikovanja, kot tipičnih predstavnikov neizkušenih razvojnih inženirjev. Pomembna lastnost inteligentnih sistemov, ki imajo praviloma vgrajeno zmožnost pojasnjevanja odločitvenega procesa, bo pri tem še posebej dobrodošla. 6. Zaključne misli Predlagane raziskave predstavljajo sestavni del širših raziskav Laboratorija za inteligentne CAD sisteme. Gre za razvoj inteligentnih svetovalnih sistemov za podporo procesu razvoja novih izdelkov. Na tem področju smo v bližnji preteklosti že dosegli tudi oprijemljive rezultate z izgradnjo dveh prototipov inteligentnih sistemov, in sicer sistema za pomoč pri izgradnji ustrezne mreže končnih elementov (Dolšak; 2002), ter sistema za pomoč pri optimiranju konstrukcije na podlagi rezultatov predhodno izvedene inženirske analize (Novak, Dolšak; 2006). Zastavljen okvirni program raziskovalnega dela ponuja realne možnosti za izvirne rezultate in originalne prispevke k znanosti, saj specialna konstrukcijska znanja s področja razvoja izdelkov iz umetnih mas in s področja estetike in ergonomije v obstoječi programski opremi za računalniško podprto konstruiranje niso ustrezno zajeta. Po drugi strani gre za izredno zanimivo in hitro se razvijajoče področje, ki mnoga podjetja širom po svetu sili v prestrukturiranje in dodatno izobraževanje razvojnih kadrov. Inteligentni svetovalni sistemi, ki bodo razvojnim inženirjem sposobni nuditi podporo z nasveti in predlogi pri sprejemanju ključnih odločitev v procesu razvoja novih, sodobno zasnovanih izdelkov, so zato po našem mnenju nujni, njihov razvoj pa neizogiben.

Stran 10 od 11

Izbrane reference

Dolšak B. (2002). Finite element mesh design expert system, Knowledge-based systems [Print ed.], Volume 15, Issue 5/6, str. 315-322.

Feyen R., Liua Y., Chaffina D., Jimmersonb G., Joseph B. (2000). Computer-aided Ergonomics: a case study of incorporating ergonomics analyses into workplace design, Applied Ergonomics, Vol.31, No.3, str. 291-300.

Finger S, Ttetsuo T., Martti M. (2000). Knowledge Intensive Computer Aided Design, Kluwer Academic Publishers.

Gero J.S. (2002). Artificial Intelligence in Design ‘02, Springer Verlag. Giannini F., Monti M. (2002). An Innovative Approach to the Aesthetic Design, Common Ground -

The Design Research Society Conference, London, UK. Gordon M.J. (2003) Industrial Design of Plastics Products, John Wiley & Sons. Kroemer K., Kroemer H., Kroemer-Elbert K. (2000). Ergonomics – How to design for ease and

efficiency, second edition, Prentice Hall. Mok C.K., Chin K.S., Hongbo L. (2008). An Internet-based intelligent design system for injection

moulds, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Volume 24, Issue 1, str. 1-15. Novak M., Dolšak B. (2006). Intelligent computer-aided structural analysis-based design optimisation,

WSEAS transactions on information science and applications, Volume 3, Issue 2, str. 307-314. Rapra Technology Ltd. (1996). Knowledge based expert system for the plastics industry, Materials &

Design, Vol. 17, No. 4, str. 227. Sapuan S.M., Jacob M.S.D., Mustapha F., Ismail N. (2002). A prototype knowledge-based system for

material selection of ceramic matrix composits of automotive engine components, Materials & Design, Vol. 23, str. 701-708.

Wang K.K., Zhou J. (2000). A Concurrent-Engineering Approach Toward the Online Adaptive Control of Injection Molding Process, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 49, Issue 1, str. 379-382.

Stran 11 od 11