摘要:根據大型複雜裝備研發周期長、耗資大、風險大的特點,引入前饋控制機制,建立了大型複雜裝備研發項目成本控制專家系統的體系結構,同時以該體系結構為主體,給出專家系統的知識表示及推理機的一種實現方法,最終使得知識庫和推理機得以獨立實現.實現後的系統以知識庫和專家系統相結合的方式對裝備研發成本進行實時監控和預測,對於輸入的問題,系統經過推理後給出相應的參考建議,為成本管理智能化提供可行依據.由於知識庫和推理機是相對獨立實現,因此該系統相對傳統專家系統來說具有更好的可維護性和可靠性.
關鍵詞:專家系統;知識表示;大型複雜裝備;成本控制
專家系統是一種在特定領域內具有專家水平解決問題能力的程序系統,其內部含有某領域內大量專家水平級知識與經驗,並能按照一定推理機制進行推理和判斷.專家系統能模擬人類專家處理複雜問題的決策過程,它作為一種電腦程式系統,繼承了計算機工作快速、準確的特點.大型複雜裝備研發成本採用專家控制系統,在一定程度上實現了對大型複雜裝備研發成本的監控和預測,解決了大型複雜裝備研發成本難以控制的問題,其研究成果對大型複雜裝備製造企業實現成本管理控制智能化、專業化、科學化以及提高企業信息化水平都具有重要的意義[1].
1大型複雜裝備研發成本控制
1.1大型複雜裝備研究開發的基本特徵
大型複雜裝備是指客戶需求複雜、產品組成複雜、產品技術複雜、製造過程複雜、項目管理複雜的一類裝備,如太空飛行器、飛機、航空母艦、武器系統等.大型複雜裝備製造業是典型的離散製造企業,其產品研發的基本特徵是現有產品技術資料和數據重複利用率低,生產過程複雜,難以實現良好的成本控制.產品研發周期長、技術新、耗資大、風險大,零部件標準化程度低,需求數量少,質量標準高,難以進行批量生產和採購造成零部件成本高;市場信息不對稱造成原材料和零部件採購價格高;生產過程中流水作業和協同程度低,資源計劃和生產調度難度大,質量管控難以到位,時常會出現返工現象,這些都增大了成本控制的難度[2].
1.2 大型複雜裝備的成本控制 成本控制是企業為實現預期的成本目標而使用的一種成本管理方法,就裝備製造企業而言,是集約化管理的重要組成部分.成本控制包括裝備生產的事前控制、生產過程控制和事後控制等,是按成本標準對生產過程進行的就地控制.現代成本控制模式主要強調面向市場的目標成本管理,注重成本控制中的主動性、全面性和組織性[3].
成本控制的關鍵在於前饋控制,是把裝備的全壽命周期費用的標準作為目標來控制研發成本,把研發過程的成本控制作為整個項目成本控制的起點,這是成本控制的關鍵[4].
裝備研發是武器裝備經預研後按作戰使用要求進行全面的研究開發直至拿出生產樣機為止的活動,是使技術從最初的科學技術設想向作戰部隊的武器裝備的轉化過程.裝備的研發成本主要包括材料費用、初樣研製費用、試樣研製費用、正樣研製費用、裝備包裝和運輸費用、檢驗驗收費用、其他費用[5].
目前關於複雜裝備成本控制的主要研究成果見文獻[6-8],這些為大型複雜裝備研發成本控制專家系統的研究提供了一定的理論基礎.
2 專家系統原理與前饋控制機制
目前,專家系統的發展已經歷了3個階段,正向第4代過渡和發展.第4代專家系統已開始採用大型多專家協作系統、多種知識表示、綜合知識庫、自組織解題機制、多學科協同解題與並行推理、專家系統工具與環境、人工神經網絡知識獲取及學習機制等最新人工智慧技術來實現多知識庫、多主體系統的建立,但完全依賴專家系統來完成大型複雜裝備研發成本的控制在目前是不可能的,這類系統的作用在於輔助決策和控制.
2.1 專家系統結構與工作原理
專家系統通常由知識庫、推理機、綜合資料庫、知識獲取機制、解釋機制和人機接口等部分組成,這些部分是相互獨立、但又緊密聯繫的.各部分關係如圖1[1]所示.
知識庫用來存放專家提供的知識.應用專家系統求解問題的過程是通過知識庫中的知識來模擬專家的思維方式.推理機針對待求問題的條件或已知信息,反覆匹配知識庫中的規則,獲得新的結論,以得到問題的最優解.人機界面是系統與用戶進行交流時的接口,用戶通過該界面輸入待求解問題的基本信息並回答系統提出的相關問題,從而得到推理結果及相關的解釋等.綜合資料庫專門用於存儲推理過程中所需的原始數據、中間結果和最終結論,往往是作為臨時存儲區.解釋器能夠根據用戶的提問,對結論、求解過程做出說明,從而使專家系統更具有交互性.
2.2 專家系統的知識獲取與知識表示
知識獲取的任務是將人類已有的知識從大腦中或書本中抽取出來,以計算機能理解的形式存儲於計算機,從而為計算機完成領域專家所能完成的任務提供知識支撐.知識獲取方法主要有間接法和直接法兩類.間接法目前應用較多,其過程為:領域專家首先將自己的知識用語言及書面的形式整理出來;然後,知識工程師在領域專家的幫助下對其提供的知識進行分析、抽取及簡化,表示為能被計算機理解的規則和框架等知識表示形式;最後,通過知識編譯器等工具,將知識輸入專家系統知識庫中.直接法的過程為:領域專家提供給歸納系統一定量的數據及資料,通過歸納程序將這些數據及資料整理成一定格式的知識,形成知識庫.這兩類知識獲取方法可用圖2來表示.
2.3 採用前饋控制的成本控制功能分析
所謂前饋控制系統狀態即在系統輸入時,就根據有關信息和經驗來估計、判斷該種要素的輸入量在系統運行中出現的狀態和可能的輸出結果,並改變輸入的要素或輸入量,從而保證輸出量與目標值的偏差儘可能減小,如圖3所示[9].
圖3中,前目標值與後產出值一般來說,在比較時會存在一定的差異,其差異多少的指標值就反饋給控制主體一個最明顯和最有效的數據信息.現將成本控制的差異計算通式列示如下:
實際價格(AP)×實際數量(AQ)(1)
標準價格(SP)×實際數量(AQ)(2)
標準價格(SP)×標準數量(SQ)(3)
其中,式(1)-式(2)=價格差異(PV),包括原料價格差異、工資率差異、變動費用開支差異等.式(2)-式(3)=數量差異(QV),包括原料用量差異、工人效率差異、變動費用效率差異等;式(1)式(3)=實際成本與標準成本的差異總額(TV).
3 專家系統實例
以我國大型飛機製造企業為例,研發的產品是系統複雜技術含量高的軍用飛機,生產方式以訂單研發和生產為主.根據複雜裝備生產的特點,合理有效地表達該領域知識是成本控制專家系統設計中的一項非常重要的工作.本例中的研發單位採取標準成本法,嚴格按照程序進行成本控制.因此,複雜裝備製造領域的知識用產生式規則表示比較合適,將成本控制知識描述為概念、事實和規則.概念和事實用來定量或定性地描述成本問題或成本要求以及各種產生成本問題的原因;規則反映了概念和事實內在的必然聯繫,即前提條件與結論的因果關係[10-11].
在實例中,利用SQLSever2005建立負責知識庫存儲的資料庫和提供開放式資料庫互連.它能對知識庫按照深度優先算法進行搜索匹配以完成推理,並能夠進行增、刪、改、查等操作以完成對知識庫的管理.該系統採用電腦程式語言VC++進行開發.最後實現的系統能夠根據用戶提交的成本控制問題在基本資料庫和規則庫中進行搜索和匹配,然後根據相應的規則予以響應,進而快速高效地為用戶提供相關的參考意見.
3.1 基本資料庫的設計
基本資料庫主要用來實現有關成本問題的描述、產生原因、防止和處理辦法等信息的存儲和操作,幾個典型的數據表如表1所示.
3.2 規則及規則庫的設計
產生式規則是邏輯蘊含、操作、推理規則以及各種關係的一種邏輯抽象,規則表達採用多叉判定樹的「IF-THEN」結構表示,並對規則表達形式作如下約定:
1)對約定規則的條件和結論所包含的斷言,可用合取連接.
規則庫由成本問題描述庫、成本問題影響因素庫、成本問題處理措施庫3個庫組成.每個規則分別包括前件和後件,具體描述如下:
1)規則的前件資料庫RC_DB(rule_id,fact_id,indica).rule_id為規則編號;fact_id是規則的一個與條件,代表基礎資料庫的概念或事實數據;indica用來標記fact_id激活標誌,避免前提條件的重複匹配.其作用是存放規則的前提條件.
2)規則的後件資料庫RR_DB(rule_id,fact_id,num,indi_ca,type,cf).其中,rule_id,fact_id,indica與前件資料庫中的作用相同;num用來標記其前提條件的個數;cf為推斷出fact_id的可信度.type可以設定多個值,當type為「0」表示是條件,type為「1」表示是結論,type為「2」表示該結論是本規則的終結[12].
根據上述分析,系統知識庫的邏輯結構如圖4所示.
3.3 成本控制專家系統推理機
系統以基於規則的數據和信息驅動的正向推理為主,輔之以目標驅動控制策略.系統根據輸入信息,在知識庫中尋找與之匹配的規則,找到後,根據結論的「type」值確定下一個動作,如果type為「0」或「1」,就將該結論作為條件,繼續匹配.如果type值為「2」,表明本次推理到達最終[13].具體實現時,以RC_DB中的fact_id為主關鍵字,通過rule_id找出對應的規則和結論,或在RR_DB中以fact_id為主關鍵字,通過rule_id欄位推理出某些前提條件.如果前提條件能在資料庫中匹配到,表明結論是成立的.
系統採用深度優先算法對知識庫進行搜索.為了優化推理,規則庫首先進行了分類,從而縮小搜索範圍,提高系統推理效率.在RC_DB庫中採用rule_id和fact_id為主索引,在RR_DB庫中以rule_id,type和fact_id為主索引,這樣相同規則的條件順序相鄰而結論則緊隨其後,可以快速訪問一條規則,每一個斷言被匹配與否均在規則庫中進行了標註,在推理過程中不必再對已標註的條件進行匹配,從而大大提高推理效率.
系統前臺推理算法、用戶界面與後臺知識資料庫相互獨立.其中SQLSever2005主要用於知識庫的管理,VC++對知識庫按照深度優先算法進行搜索匹配以完成推理,進行插入、刪除等操作以完成對知識庫的維護和更新,同時實現人機界面.
該成本控制專家系統應用於某航空飛行器研發項目,輔助企業較好地完成了精準的成本預算、監控評測、成本分析,研發成本得到較好的控制,節約成本15%,取得了良好的效果.
4 結 論
本文提出了成本控制專家系統的體系結構,並以該體系結構為基礎,分析了此類專家系統的知識表示及其推理機的實現方法.最後,利用VC++和SQLSever2005工具編程實現了成本控制專家系統.實例系統不但提供了良好的人機接口、實現了對知識庫進行插入、刪除等管理操作,還能對知識庫按照深度優先算法進行搜索匹配完成推理.前臺的推理算法、用戶界面與後臺的知識資料庫相互獨立. (本文於2010年發表於《北京航空航天大學學報》 作者：北京航空航天大學經濟管理學院 王飛 魏法傑)
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