Znalostní inženýrství - Knowledge-based engineering

Tento článek je o použití znalostní technologie v doméně CAD. Vývoj expertních systémů ve všech doménách najdete v tématu znalostní inženýrství .

Znalostní inženýrství (KBE) je aplikace systémové technologie založené na znalostech do oblasti výrobního designu a výroby. Proces navrhování je ze své podstaty činnost náročná na znalosti, proto se KBE klade velký důraz na využití znalostní technologie k podpoře počítačově podporovaného navrhování (CAD), avšak techniky založené na znalostech (např. Znalostní management) mohou být aplikován na celý životní cyklus produktu .

Doména CAD byla vždy jedním z prvních, kdo si osvojil techniky softwarového inženýrství používané v znalostních systémech, jako je objektová orientace a pravidla . Znalostní inženýrství integruje tyto technologie s CAD a dalšími tradičními softwarovými nástroji pro strojírenství.

Mezi výhody KBE patří vylepšená spolupráce designérského týmu díky správě znalostí, vylepšené opětovné použití artefaktů designu a automatizace hlavních částí životního cyklu produktu.

Přehled

KBE je v zásadě inženýrství na základě znalostních modelů . Znalostní model používá reprezentaci znalostí k reprezentaci artefaktů procesu návrhu (stejně jako samotného procesu) spíše než nebo navíc k konvenčním programovacím a databázovým technikám.

Výhody použití reprezentace znalostí k modelování úloh a artefaktů průmyslového inženýrství jsou:

  • Vylepšená integrace. V tradičních CAD a průmyslových systémech má každá aplikace často svůj vlastní mírně odlišný model. Standardizovaný model znalostí usnadňuje integraci napříč různými systémy a aplikacemi.
  • Více opětovného použití. Znalostní model usnadňuje ukládání a označování návrhových artefaktů, aby je bylo možné znovu snadno najít a znovu použít. Také znalostní modely jsou samy o sobě znovu použitelnější díky použití formalismu, jako jsou vztahy IS-A (třídy a podtřídy v objektově orientovaném paradigmatu). S podtřídou může být velmi snadné vytvářet nové typy artefaktů a procesů, počínaje existující třídou a přidáním nové podtřídy, která zdědí všechny výchozí vlastnosti a chování svých rodičů a poté ji lze podle potřeby upravit.
  • Lepší údržba. Hierarchie tříd nejen usnadňují opětovné použití, ale také usnadňují údržbu systémů. Tím, že máme jednu definici třídy, kterou sdílí více systémů, se výrazně zjednoduší řízení změn a konzistence.
  • Více automatizace. Pravidla odborných systémů mohou zachytit a automatizovat rozhodování, které je u většiny konvenčních systémů ponecháno na lidské odborníky.

KBE může mít široký rozsah, který pokrývá celou škálu aktivit souvisejících s řízením životního cyklu produktu a multidisciplinární optimalizací designu . Rozsah KBE zahrnuje design, analýzu ( počítačově podporované inženýrství - CAE), výrobu a podporu. V této inkluzivní roli musí KBE pokrývat velkou multidisciplinární roli související s mnoha technologiemi podporovanými počítačem ( CAx ).

KBE lze implementovat dvěma primárními způsoby:

  1. Vytvářejte znalostní modely od základu pomocí technologie založené na znalostech
  2. Vrstvte na znalostech založenou technologii na stávající CAD, simulace a další inženýrské aplikace

Prvním příkladem prvního přístupu byl nástroj Simkit vyvinutý společností Intellicorp v 80. letech. Simkit byl vyvinut nad Intellicorp's Knowledge Engineering Environment (KEE). KEE bylo velmi výkonné prostředí pro vývoj systémů založených na znalostech. KEE začalo s Lispem a přidalo rámce , objekty a pravidla , stejně jako výkonné další nástroje, jako je hypotetické uvažování a udržování pravdy. Simkit přidal stochastické simulační schopnosti do prostředí KEE. Mezi tyto funkce patří model události, generátory náhodných distribucí, vizualizace simulace a další. Nástroj Simkit byl časným příkladem KBE. Mohlo by definovat simulaci, pokud jde o modely tříd a pravidla, a poté spustit simulaci jako u konvenční simulace. Během této simulace mohla i nadále vyvolávat pravidla, démony a metody objektů, což by poskytovalo potenciál pro mnohem bohatší simulaci a analýzu než běžné simulační nástroje.

Jedním z problémů, s nimiž se Simkit potýkal, byl společný problém pro většinu časných systémů KBE vyvinutých touto metodou: Znalostní prostředí Lisp poskytují velmi výkonnou reprezentaci znalostí a možnosti uvažování ; učinili to však za cenu obrovských požadavků na paměť a zpracování, které natáhly hranice dobových počítačů. Simkit mohl spouštět simulace s tisíci objekty a provádět u nich velmi sofistikovanou analýzu. Průmyslové simulace však často vyžadovaly desítky nebo stovky tisíc objektů a Simkit měl potíže se škálováním na takové úrovně.

Druhou alternativu k vývoji KBE ilustruje produktová sada CATIA . CATIA začala s produkty pro CAD a další tradiční aplikace průmyslového inženýrství a přidala k nim schopnosti založené na znalostech; například jejich modul KnowledgeWare.

Dějiny

KBE se vyvinula v 80. letech. Byla to součást počáteční vlny investic do umělé inteligence pro podnikání, která poháněla expertní systémy. Stejně jako expertní systémy spoléhal na to, co v té době představovalo špičkové pokroky v podnikových informačních technologiích, jako jsou počítače , pracovní stanice a architektury klient-server . Stejné technologie také usnadňovaly růst softwaru CAx a CAD . CAD měl tendenci řídit špičkové technologie a dokonce je posouvat za jejich současné limity. Nejlepším příkladem toho bylo objektově orientované programování a databázová technologie, které byly přizpůsobeny CAD, když ve většině obchodů s podnikovými informačními technologiemi dominovaly relační databáze a procedurální programování .

Stejně jako u expertních systémů, KBE utrpěla během AI Winter pokles . Stejně jako u expertních systémů a technologií umělé inteligence obecně došlo k obnovenému zájmu o internet. V případě KBE byl zájem nejsilnější pravděpodobně o elektronický obchod typu business-to-business a o technologie, které usnadňují definici standardních slovníků a ontologií pro průmyslové výrobky .

Sémantický web je vize Tim Berners Lee pro příští generaci internetu. Bude se jednat o znalostní internet postavený na ontologiích , objektech a rámcových technologiích, které také umožňovaly technologie pro KBE. Důležité technologie pro sémantický web jsou XML , RDF a OWL . Sémantický web má pro KBE vynikající potenciál a ontologie a projekty KBE jsou silnou oblastí pro aktuální výzkum.

KBE a správa životního cyklu produktu

Product Lifecycle Management (PLM) je řízení výrobního procesu v jakémkoli odvětví, které vyrábí zboží. Může zahrnovat celý životní cyklus produktu od generování nápadu po implementaci, dodání a likvidaci. KBE na této úrovni se bude zabývat otázkami produktů obecnější povahy než v případě CAx . Přirozenou oblastí důrazu je výrobní proces; správa životního cyklu však může pokrýt mnoho dalších otázek, jako je obchodní plánování, marketing atd. Výhodou používání KBE je získání automatizovaných služeb uvažování a správy znalostí ve znalostním prostředí integrovaných s mnoha různými, ale souvisejícími potřebami správy životního cyklu. KBE podporuje rozhodovací procesy spojené s konfigurací, obchody, kontrolou, správou a řadou dalších oblastí, jako je optimalizace .

KBE a CAx

CAx označuje doménu počítačově podporovaných nástrojů pro analýzu a návrh. CAx zahrnuje více domén. Příkladem je počítačově podporovaný design vyráběných dílů, softwaru, architektury budov atd. Ačkoli každá konkrétní doména CAx bude mít velmi odlišné druhy problémů a artefaktů, všechny sdílejí společné problémy, stejně jako nutnost řídit spolupráci sofistikovaných znalostní pracovníci, návrh a opětovné použití složitých artefaktů atd.

KBE v zásadě rozšiřuje, navazuje a integruje se s doménou CAx, která se obvykle označuje jako Computer Aided Design (CAD). V tomto smyslu je KBE obdobou znalostního softwarového inženýrství , které rozšířilo doménu počítačového softwarového inženýrství o nástroje a technologie založené na znalostech. Co byla KBSE pro software a CASE, KBE pro vyráběné produkty a CAD.

Příklad lze vzít ze zkušeností Boeingu. Program 777 přijal výzvu digitálně definované roviny. To vyžadovalo investice do rozsáhlých systémů, databází a pracovních stanic pro konstrukční a analytické inženýrské práce. Vzhledem k rozsahu výpočetní práce, která byla požadována, se KBE dostala takřka do prahu prostřednictvím plánu „pay as you go“. Tato technika měla v zásadě ukázat výhody a poté získat více práce (myslím agilní inženýrství). V případě modelu 777 se projekt dostal tam, kde bylo možné přes víkend přepočítat vlivy na změny v rané fázi proudu návrhu / sestavení (zátěže), aby bylo možné vyhodnotit následné procesy. Podle potřeby byli inženýři ve smyčce, aby dokončili práci a odhlásili se. Současně CAx umožnil splnění přísnějších tolerancí. Se 777 byla KBE tak úspěšná, že ji následné programy uplatňovaly ve více oblastech. Postupem času byla zařízení KBE integrována do platformy CAx a jsou běžnou součástí provozu.

KBE a správa znalostí

Jednou z nejdůležitějších technologií založených na znalostech pro KBE je správa znalostí . Nástroje pro správu znalostí podporují široké spektrum úložiště, tj. Úložiště, které může podporovat všechny různé typy pracovních artefaktů: neformální výkresy a poznámky, velké databázové tabulky, multimediální a hypertextové objekty atd. Správa znalostí poskytuje různé nástroje pro podporu skupin, které pomáhají různým zúčastněné strany spolupracují na návrhu a implementaci produktů. Poskytuje také nástroje k automatizaci procesu návrhu (např. Pravidla) a k usnadnění opětovného použití.

Metodika KBE

Vývoj aplikací KBE se týká požadavků na identifikaci, zachycení, strukturování, formalizaci a konečnou implementaci znalostí. Mnoho různých takzvaných platforem KBE podporuje pouze implementační krok, který není vždy hlavním problémem v procesu vývoje KBE. Aby se omezilo riziko spojené s vývojem a údržbou aplikace KBE, je třeba spoléhat na vhodnou metodiku pro správu znalostí a jejich aktualizaci. Jako příklad takové metodologie KBE navrhuje evropský projekt MOKA „Metodika a nástroje orientované na znalostní aplikace“ řešení, která se zaměřují na kroky strukturování a formalizace a odkazy na implementaci.

Alternativou k MOKA je použití obecných znalostních inženýrských metod, které byly vyvinuty pro expertní systémy napříč všemi průmyslovými odvětvími, nebo použití obecných metodik vývoje softwaru, jako jsou metody Rational Unified Process nebo Agile .

Jazyky pro KBE

Dva zásadní problémy týkající se jazyků a formalismů používaných v KBE jsou:

  • Znalostní vs. procedurální programování
  • Standardizace vs. proprietární

Znalostní vs. procedurální programování

Základní kompromis identifikovaný s reprezentací znalostí v umělé inteligenci je mezi expresivní silou a vypočítatelností. Jak Levesque předvedl ve svém klasickém příspěvku na toto téma, čím silnější formalizmus reprezentace znalostí navrhne, tím blíže se formalismus přiblíží expresivní síle logiky prvního řádu. Jak Levesque také demonstroval, čím blíže je jazyk logice prvního řádu, tím je pravděpodobnější, že umožní výrazy, které jsou nerozhodnutelné nebo vyžadují dokončení exponenciální zpracovatelské síly. Při implementaci systémů KBE se tento kompromis odráží ve volbě používat výkonná znalostní prostředí nebo konvenčnější procedurální a objektově orientovaná programovací prostředí.

Standardizace vs. proprietární

Existuje kompromis mezi používáním standardů, jako je STEM, a značkovými jazyky specifickými pro dodavatele nebo firmy. Standardizace usnadňuje sdílení znalostí , integraci a opětovné použití. Proprietární formáty (například CATIA) mohou poskytnout konkurenční výhodu a výkonné funkce nad rámec současné standardizace.

Genworks GDL, komerční produkt, jehož jádro je založeno na projektu Gendl Project s licencí AGPL, řeší problém dlouhověkosti aplikace poskytnutím jádra deklarativního jazyka na vysoké úrovni, které je nadmnožinou standardního dialektu programovacího jazyka Lisp ( ANSI Common Lisp nebo CL). Samotný Gendl / GDL je navržen jako de facto standard pro jazyky KBE založené na ANSI CL.

V roce 2006 vydala skupina Object Management Group dokument RFP služeb KBE a požádala o zpětnou vazbu. K dnešnímu dni neexistuje žádná specifikace OMG pro KBE; pro služby CAD však existuje standard OMG.

Příkladem systému nezávislého jazyka pro vývoj strojově čitelných ontologií, který je v doméně KBE, je Gellish English .

KBE v akademickém prostředí

Implementace

Následující vývojové balíčky KBE jsou komerčně dostupné:

Pro CAD

Pro univerzální vývoj aplikací nasazených na webu

Pro analytické, konstrukční a inženýrské procesy

Viz také

Reference

  1. ^ „Znalostní inženýrství“ . technosoft.com . Technosoft . Vyvolány 5 July 2014 .
  2. ^ Prasad, Brian. "Co odlišuje KBE od automatizace" . coe.org. Archivovány od originálu dne 24. března 2012 . Vyvolány 3 July 2014 .
  3. ^ Drummond, Brian; Marilyn Stelzner (1989). "Simkit: Sada nástrojů pro simulaci stavby modelů" . V Mark Richer (ed.). Nástroje a techniky AI . Ablex. 241–260. ISBN 978-0-89391-494-3. Vyvolány 6 July 2014 .
  4. ^ „Co je CATIA?“ . firstratemold.com . prvnízlatý . Vyvolány 6 July 2014 .
  5. ^ Switlik, John (říjen – listopad 2005). "Znalostní inženýrství (KBE): Aktualizace" . coe.org . COE. Archivovány od originálu 24. března 2012 . Vyvolány 6 July 2014 .CS1 maint: nevhodná URL ( odkaz )
  6. ^ Spooner, David (1991). "Směrem k objektově orientovanému datovému modelu pro mechanický databázový systém CAD". Na objektově orientovaných databázových systémech . K objektově orientovaným tématům databázových systémů v informačních systémech . Témata v informačních systémech. 189–205. doi : 10.1007 / 978-3-642-84374-7_13 . ISBN 978-3-642-84376-1.
  7. ^ „AI zima“ . ainewsletter.com . ainewsletter. Archivovány od originálu dne 9. listopadu 2013 . Vyvolány 6 July 2014 . AI Winter z konce 80. let. Tato fráze byla vytvořena analogicky s „jadernou zimou“ - teorií, že hromadné používání jaderných zbraní by zahltilo slunce kouřem a prachem, což by způsobilo ponoření globálních teplot, zmrzlou Zemi a vyhynutí lidstva. AI Winter pouze způsobil zánik společností AI, částečně kvůli humbuku nad expertními systémy a deziluzi způsobenou, když podniky objevily svá omezení.
  8. ^ Berners-Lee, Tim; Hendler, James; Lassila, Ora (17. května 2001). „Sémantický web Nová forma webového obsahu, která má smysl pro počítače, rozpoutá revoluci nových možností“ . Scientific American . 284 (5): 34–43. doi : 10,1038 / scientificamerican0501-34 . Archivovány od originálu 24. dubna 2013.
  9. ^ Zhang, WY; Yun, JW (duben 2008). „Zkoumání technologií sémantického webu pro ontologické modelování ve společném inženýrském designu“. International Journal of Advanced Manufacturing Technology . 36 (9–10): 833–843. doi : 10,1007 / s00170-006-0896-5 . S2CID  12420678 .
  10. ^ Viz stránka Talk, příklad Point-in-Time - odkazy je třeba aktualizovat
  11. ^ Sainter, P (10. – 13. Září 2000). „ŘÍZENÍ ZNALOSTÍ O PRODUKTU V RÁMCI SYSTÉMŮ ZALOŽENÝCH NA ZNALOSTECH“ . Sborník z technické konference DETC'00ASME 2000 Design Engineering a konference o počítačích a informacích ve strojírenství . Vyvolány 4 July 2014 .
  12. ^ „MOKA: Rámec pro strukturování a reprezentaci technických znalostí“ . Esprit Project. Archivovány od originálu 22. dubna 2004 . Vyvolány 5 July 2014 .CS1 maint: nevhodná URL ( odkaz )
  13. ^ Kendal, SL; Creen, M. (2007), An Introduction to Knowledge Engineering , London: Springer, ISBN 978-1-84628-475-5, OCLC  70987401
  14. ^ Levesque, Hector; Ronald Brachman (1985). „Zásadní kompromis v reprezentaci a uvažování o znalostech“ . V Ronald Brachman a Hector J. Levesque (ed.). Čtení ve znalostní reprezentaci . Morgan Kaufmann. p. 49 . ISBN 978-0-934613-01-9. Dobrou zprávou při snižování služby KR na prokázání věty je, že nyní máme velmi jasnou a velmi konkrétní představu o tom, co by měl systém KR dělat; špatnou novinkou je, že je také jasné, že služby nelze poskytovat ... rozhodování o tom, zda je věta ve FOL teorémem ... je neřešitelné.
  15. ^ Wilson, Walter. „Jazyk pro konstrukční návrh“ (PDF) . step.nasa.gov . Lockheed Martin . Vyvolány 4 July 2014 .
  16. ^ „Genworks“ . genworks.com . Vyvolány 4 July 2014 .
  17. ^ „Specifikace jazyka GDL“ .
  18. ^ „Služby KBE pro PLM RFP“ . omg.org . Skupina pro správu objektů. 2006 . Vyvolány 4 July 2014 .
  19. ^ „Specifikace služeb počítačového designu“ . omg.org . Skupina pro správu objektů. Leden 2005 . Vyvolány 4 July 2014 .
  20. ^ "Automatizace designu - vytváření 2D výkresů a 3D modelů pro prodej | Tacton" . Tacton . Citováno 2018-06-20 .
  21. ^ „Podrobnosti o produktu“ . solidworks.com . Citováno 2018-06-20 .
  22. ^ "Tacton Design Automation | Certifikované aplikace | Autodesk Developer Network" . Citováno 2018-06-20 .

externí odkazy