На правах рукописи
Чжо Чжо Кхаин
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ ОБУЧЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ
ПРОЦЕССАМ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Специальность: 05.13.06 – “Автоматизация и управление
технологическими процессами и производствами”
(в области приборостроения)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2008г.
2
Работа выполнена на кафедре Информатики и программного обеспечения вычислительных систем в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Лисов Олег Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гусева Анна Ивановна кандидат технических наук, Федотов Андрей Александрович
Ведущая организация: ФГУП "НИИ Субмикрон"
Защита состоится «»2008 г. в _ :часов на заседании диссертационного совета Д 212.134.04 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, МИЭТ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.
Автореферат разослан «» 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., проф. А.И.Погалов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В настоящее время весьма остро встает вопрос обеспечения качества производимой продукции вообще и электронных систем в частности. Если раньше разработка новых электронных приборов и систем была ориентирована на 10-15-летний срок эксплуатации и диагностические тесты формировались специализированными подразделениями разработчиков аппаратуры, то теперь моральное старение изделий электронной техники происходит гораздо быстрее, объемы производства стали меньше, поэтому все этапы от разработки до изготовления часто выполняются непосредственно на предприятии-изготовителе. Вместе с тем в условиях жесткой конкуренции предприятие не может позволить себе снижать качество продукции. Наилучшим выходом в данном случае является создание автоматизированной обучающей системы (АОС), предназначенной для повышения квалификации обслуживающего персонала без отрыва от производства и представляющей собой систему интеллектуальной поддержки процессов обучения и переподготовки инженерно-технического персонала в технологическом процессе производства.
Кроме того, подготовка специалистов по технической диагностике в рамках программ высшей школы, очевидно, никогда не потеряет своей актуальности. Поэтому еще одной сферой применения АОС является ее использование при подготовке специалистов в вузовской и профессиональной сферах.
Проблемы диагностики электронных приборов решали как российские, так и зарубежные ученые. Известны работы Пархоменко П.П., Карибского В.В., Согомоняна Е.С., Каравая М.Ф., Лобанова А.В., Schlichting R., Rennels D.A., Dolev D. и др.
Вопросами e-learning и создания автоматизированных обучающих систем занимаются, в частности Савельев А.Я., Тихомиров В.П., Солдаткин В.И., Гусева А.И., Игнатова И.Г., Дэ-Джун Кванг, Мьюнг-Сук Дженни Панг и др.
Актуальность работы, посвященной повышению квалификации обслуживающего персонала как условия обеспечения надежности и отказоустойчивости и связанной с ними диагностикой технических объектов, не вызывает сомнений, если учесть возрастающее число и масштабы техногенных катастроф, обусловленных ненадежным функционированием технических объектов, а также увеличение себестоимости разработок технических объектов с возрастанием их сложности и повышением степени интеграции.
Актуальность проблемы обусловлена тем, что в условиях увеличения числа малых предприятий с быстро меняющимся ассортиментом производимой продукции нет возможности обеспечить длительную подготовку специалистов нужной квалификации. Поэтому использование АОС позволяет решить проблему ускорения процесса повышения квалификации специалистов, в том числе и с использованием методов электронного образования (e-learning).
Построение АОС, осуществляемое на основе разработки структуры, алгоритмов генерации заданий, создание интеллектуального модуля контроля результатов обучения является, следовательно, актуальной задачей.
Целью диссертации является разработка и программная реализация методов и средств для повышения квалификации обслуживающего персонала в области диагностики электронных приборов за счет создания интеллектуальной АОС.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.
1. Разработка требований к функционированию АОС и ее 2. Анализ существующих методов подготовки специалистов в рамках технологии e-learning.
3. Формализация модели области знаний (диагностирование электронных приборов).
4. Разработка схемы алгоритма интеллектуального тренажера для подготовки специалистов в области технической диагностики (на первом этапе реализации – рассмотрение общих вопросов технической диагностики, а так же построение диагностических тестов для комбинационных схем (d-алгоритм Рота)).
5. Разработка подходов к реализации способов построения диагностических тестов для синхронных последовательностных 6. Разработка алгоритма автоматической генерации заданий для интеллектуального тренажера.
сгенерированных заданий.
8. Программная реализация разработанных методов и алгоритмов для решения практических задач обучения и повышения квалификации специалистов в области технической Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследования составили элементы общей теории систем, методы интеллектуальных технологий, методы и алгоритмы технической диагностики, теория построения обучающих систем, методы генерации заданий, а также объектно-ориентированная технология программирования. При решении конкретных задач использовались труды отечественных и зарубежных ученых в области e-learning и технической диагностики.
Научная новизна.
собой совокупность научно обоснованных технических разработок, направленных на создание АОС, обеспечивающих повышение уровня квалификации обслуживающего персонала в сфере диагностирования изделий приборостроения.
В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты.
Разработана структура интеллектуального тренажера, интеллектуальном тренажере (с помощью автоматического генератора заданий), предназначенном для технической поддержки процесса повышения квалификации специалистов с учетом уровня их подготовки.
Разработан алгоритм автоматического «решателя», который выполняет сгенерированные в автоматическом режиме задачи, учитывая особенности каждой из них.
Разработана схема алгоритма взаимодействия АОС с обеспечивающая применение двух технологий обучения, основанных на индуктивном и дедуктивном методах процесса обучения, в зависимости от индивидуальных компетентностных качеств обучаемых.
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами успешных экспериментальных исследований и внедрения АОС в учебный процесс кафедры ИПОВС МИЭТ.
Практическая ценность работы заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение АОС при обучении методам технической диагностики в приборостроении. Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов и программной реализации.
Самостоятельное практическое значение имеют:
разработанная структура АОС позволяет повысить уровень квалификации специалистов в области технической диагностики, что является одним из условий повышения качества изготавливаемой продукции;
разработанная структура интеллектуального тренажера дает возможность осваивать методы технической диагностики как в сфере производства изделий электронной техники, так и при подготовке специалистов в вузовской и профессиональной разработанный интеллектуальный тренажер позволяет использовать интеллектуальные технологии при изучении базовых разделов технической диагностики в соответствии с индуктивным или дедуктивным подходом в зависимости от уровня подготовки кадрового состава;
использование разработанной программы построения теста по d-алгоритму Рота может быть использовано для диагностики и моделирования неисправностей в реально производимых комбинационных схемах;
разработаны подходы к использованию предлагаемых методов для диагностики и моделирования неисправностей в последовательностных схемах;
в результате использования АОС интенсивность сдачи контрольных мероприятий увеличилась на 15%, успеваемость По результатам выступления на Научной сессии МИФИ- получен диплом Х Московской международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ И НАУКА», за работу «Актуализация знаний при обучении методам генерации тестов для электронных схем».
На Всероссийском смотре научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов (Томск-2007) получен диплом участника в номинации "За актуальность и практическую значимость" за работу "Автоматическая генерация тестов для автоматизированной обучающей системы".
Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:
1) разработана структура АОС как средства увеличения надежности выпускаемой продукции в приборостроении путем повышения уровня квалификации инженерно-технического 2) разработана структура интеллектуального тренажера, являющегося основой АОС;
3) формализована структура модели области знаний, обеспечивающая применение двух технологий изучения дисциплины, основанных на индуктивном и дедуктивном 4) разработан алгоритм формирования заданий (с помощью автоматического генератора заданий), предназначенных для технической поддержки процесса повышения квалификации специалистов с учетом уровня их подготовки;
5) проведен сравнительный анализ методов автоматической генерации схем при формировании заданий: древовидного и послойного, на основе которого выбор остановлен на послойном методе, как более эффективном и имеющем большие возможности;
6) разработан алгоритм автоматического "решателя", который выполняет сгенерированные в автоматическом режиме задачи, учитывая особенности каждой из них;
7) реализованы первые две подсистемы АОС, связанные с изучением основных положений технической диагностики и диагностированием комбинационных схем;
8) разработаны подходы к использованию предлагаемых методов для диагностирования неисправностей в последовательностных Реализация полученных результатов. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-технических исследований кафедры "Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Московского государственного института электронной техники (технического университета) и являлась составной частью исследовательских мероприятий в рамках НИОКР «Разработка методологии практической подготовки студентов в рамках инновационных образовательных программ» Федеральной целевой программы развития образования на 2006 - 2010 годы.
Все работы по программной реализации АОС проводились под руководством или при непосредственном участии автора. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры в материалах курсов «Теория систем» и «Системный анализ и математическое моделирование».
В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные результаты:
1) структура АОС, использующая интеллектуальные технологии;
2) алгоритм работы интеллектуального тренажера для обучения методам технической диагностики в приборостроении;
3) алгоритм формирования заданий, предназначенных для повышения квалификации специалистов и контроля за этим процессом с точки зрения технологии обучения методам технической диагностики;
4) способ оценки уровня подготовки специалиста и настройки обеспечивающий применение двух технологий представления информации, основанной на индуктивном и дедуктивном 5) программная реализация разработанных алгоритмов и моделей для решения практических задач обеспечения процесса подготовки специалистов в области технической диагностики.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации обсуждались на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях МИЭТ 2005 - 2007 гг., на ежегодных научных сессиях МИФИ 2006 - 2008 гг., на Всероссийской межвузовской научнопрактической конференции «Актуальные проблемы информатизации.
Развитие информационной инфраструктуры, технологий систем».
МИЭТ, ноябрь, 2007, на научно-практической конференции «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» (ИНФО-2007) Сочи.
По теме диссертации опубликовано 15 работ, полностью отражающих основные научные результаты, в том числе 3 статьи (из них 1 - в журнале “Известия вузов. Электроника”, входящем в перечень ВАК), 10 тезисов докладов на конференциях, 2 методические разработки в рамках инновационной образовательной программы МИЭТ “Современное профессиональное образование для Российской инновационной системы в области электроники”. Автор принимал участие в НИР "Исследование направлений информационной поддержки деятельности предприятий социально-культурной сферы и вопросов организации учебного процесса подготовки и переподготовки кадров на основе E-learning технологий" Московского института искусств и информационных технологий в качестве исполнителя.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 69 наименований и 5 приложений.
Работа изложена на 150 страницах (112 страниц основного текста), содержит 6 таблиц и 42 рисунка.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы, определена цель работы, приведена структура и краткое содержание диссертации.
В первой главе рассматривается роль и место технической диагностики производства электронных приборов, а также вопросы, связанные с построением автоматизированных обучающих систем.
Диагностический аспект обеспечения и поддержки надежности состоит в рассмотрении и реализации совокупности мероприятий по своевременному обнаружению и поиску дефектов с целью их последующего устранения или исключения недопустимого влияния и тем самым восстановления работоспособного состояния объекта.
Задачей данной диссертации является разработка АОС, основу которой составляет интеллектуальный тренажер для обучения методам контроля и диагностики изделий в приборостроении. Для создания АОС совместно решаются вопросы в двух направлениях:
формализация предметной области знаний, необходимой для эффективного построения интеллектуального тренажера как методы и средства информационной поддержки процесса подготовки специалистов в области технической диагностики.
С точки зрения решения поставленных в данной диссертации задач, представляют интерес следующие средства автоматизации процесса обучения. Среди зарубежных средств можно выделить Learning Space 4.0 (LS, фирма Lotus Development Corporation, http://www.lsibm.ru/) и WebCT 3.6 (корпорация WebCT Университета Британской Колумбии, http://www.webct.com/). Примерами отечественных оболочек являются http://www.mocnit.miee.ru) и «Прометей» 2.0 (компания «Прометей», http://www.prometeus.ru), а также системы «Аванта»
(Владивостокский государственный университет экономики и сервиса, http://www.avanta.vvsu.ru/), eLearning Server 3000 (eLS3000, компания ГиперМетод, http://www.hypermethod.ru), система xDLS (Пермский государственный университет, http://www.xdlsoft.com).
Как показал анализ существующих обучающих систем, они в основном обладают следующими свойствами: 1) предлагают разработанные преподавателем обучающие и контрольные задания в определенной комплектации, в различных выборках; 2) есть возможность вставить заранее подготовленный рисунок; 3) при проверке заданий используются ответы, заранее вычисленные и подготовленные преподавателем; 4) для изучения предлагается один теоретический блок, освещающий данную тему.
В результате проведенного анализа основное внимание в диссертации уделяется разработке интеллектуального тренажера, создание которого направлено на достижение следующих преимуществ:
1) наличие блока автоматической генерации заданий, позволяющего генерировать обучающие и контрольные задания в автоматическом режиме;
2) возможность графического изображения сгенерированных схем 3) наличие модуля автоматической проверки сгенерированных 4) наличие интеллектуального модуля контроля правильности хода решения диагностической задачи, автоматического 5) два подхода к представлению теоретической части по каждой теме – индуктивный и дедуктивный, ориентированные на индивидуальные компетентностные особенности.
Вторая глава посвящена анализу предметной области АОС подходам и методам технической диагностики. В данной главе приводятся основные из них.
Техническая диагностика включает в себя проверку технического состояния и поиск неисправностей технических объектов.
Диагностические системы подразделяются на системы тестового диагностирования и системы функционального диагностирования.
При функциональном диагностировании тестовые воздействия на объект не подаются, объект работает в составе функционального блока с подачей на него рабочих воздействий. Функциональный блок может быть реальным или смоделированным.
определенной глубиной. Как правило, выделяют три следующих уровня: 1) до причины, 2) до компонента, 3) до ремонтного блока.
В целях формализации представим модель области знаний (диагностирование электронных приборов).
ПО={Т, Р, ДТ, ДН, ДЭ } – предметная область, Т={Т1, Т2, …, ТN} – последовательных элементарных тестов, Р={Р1, Р2, …, РN} – реакция на тесты, Рi – реакция на элементарный тест, ДТ - идентификация неисправности по совокупности тестов, ДН – идентификация неисправности с использованием нейронной сети, ДЭ - идентификация неисправности на основе экспертной системы, Тi={tвхi, tвыхПi, tвыхРi, fi } – i-й элементарный тест, tвхi – вектор входных сигналов, tвыхПi – правильное значение выходного сигнала, tвыхРi – реальное значение выходного сигнала, fi = {0,1} – фактор правильности прохождения теста, Структура АОС ориентирована на трехуровневую систему диагностирования, использующуюся в технологическом процессе.
Трехуровневая система диагностирования предполагает наличие трех компонентов: базы данных, содержащей статистические данные о результатах проверок предыдущих изделий, нейронной сети, диагностирования, и экспертной системы для диагностирования наиболее сложных случаев неисправности.
В третьей главе приводится разработанная структура интеллектуального тренажера с точки зрения информационной и интеллектуальной поддержки управления процессом повышения уровня квалификации обслуживающего персонала.
В соответствии с общей теорией систем в иерархических многоуровневых системах управления выделяются два метода, которые можно назвать дедуктивным и индуктивным.
В общем научном смысле область знаний представляется ограниченным естественным языком, образованным грамматикой G:
G {T,M,П,Н}, где T - терминальный алфавит, М - полный словарь терминов, П - правила подстановки, Н - начальный символ.
Язык может разбиваться на несколько тематических языковых групп (подъязыков) в соответствии со структурой разделов дисциплин.
К терминальным символам (терминам) в частности относятся:
элемент, связь, вход, выход, сигнал, состояние объекта, неисправность, поиск, обнаружение и т.п.
Построение теоретического блока основывается на модели области знаний и обеспечивает две технологии изучения дисциплины.
Рассматриваются следующие разделы предметной области:
S1) основные принципы диагностирования, S2) диагностирование комбинационных схем, S3) диагностирование последовательностных схем (синхронных и асинхронных), S4) диагностирование ПЛМ, S5) нейронные схемы, S6) экспертные системы, S7) диагностирование микропроцессорных устройств, S8) дальнейшие вопросы для изучения (кратные, враждебные неисправности, маскирование неисправностей).
ДТ = {S1, S2, S3, S4} - идентификация неисправности по совокупности тестов, ДН = {S5} - идентификация неисправности с использованием нейронной сети, ДЭ = {S6, S7, S8} - идентификация неисправности на основе экспертной системы.
Схемы процесса обучения представлены на рис. 1 и 2.
Последовательности шагов при дедуктивном методе:
M1 = {S8,S7,S6,S5,S4,S3,S2,S1} M2 = {S8,S7,S6,S5,S2,S1} M2 = {S7,S6,S5,S2,S1} M1 = {S7,S6,S5,S4,S3,S2,S1,S8} M1 = {S1,S7,S6,S5,S4,S3,S2,S8} Рис. 1. Последовательность прохождения блоков АОС при Последовательности шагов при индуктивном методе:
M1 = {S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8} M2 = {S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7} M3 = {S1, S5,S6,S7,S8} M4 = {S1,S2,S3, S7, S6, S5} Рис. 2. Последовательность прохождения блоков АОС при Разработанный интеллектуальный тренажер состоит из нескольких функциональных блоков, взаимодействующих между собой (рис.3). Блок, содержащий теоретические сведения, подключается в начале работы. Для генерации заданий интеллектуальный тренажер содержит автоматический генератор заданий. Интеллектуальный тренажер предусматривает также наличие «автоматического решателя», позволяющего в автоматическом же режиме проверять правильность выполнения задания обучаемым, в том числе контролировать процесс выполнения задания по шагам (по промежуточным контрольным точкам). Одним из блоков интеллектуального тренажера является блок графического отображения сгенерированных схем как часть интерфейса пользователя.
«