Интеллектуальные системы и технологии в машино- и приборостроении

 
 
 
 
 
А. А. Игнатьев, А. А. Казинский, С. А. Игнатьев 
 
 
 
 
 
 
 
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ  
И ТЕХНОЛОГИИ  
В МАШИНО- И ПРИБОРОСТРОЕНИИ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 
004.89:621.0 
ББК 
32.813+32.965 
И26 
 
 
 
Рецензенты: 
кафедра «Информатика и управление техническими системами» 
Балаковского института техники и технологий НИЯУ МИФИ; 
доктор технических наук, профессор Саратовского 
государственного технического университета имени 
Гагарина Ю. А. Ю. Б. Томашевский 
 
 
 
Игнатьев, А. А. 
И26  
 
Интеллектуальные системы и технологии в машино- и приборостроении : учебное пособие / А. А. Игнатьев, А. А. Казинский, 
С. А. Игнатьев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 176 
с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1678-8 
 
Приводятся сведения о развитии интеллектуальных систем и технологий и их применении для решения задач в различных областях науки, техники 
и производства. Рассматриваются модели представления знаний в интеллектуальных системах, основы теории интеллектуальных систем управления и технологии обработки знаний. Анализируются вопросы построения экспертных 
систем, приводится пример практического применения экспертной системы 
поддержки принятия решения при контроле и диагностировании высокоточных токарных модулей. Рассматриваются основы теории распознавания образов и ее практическое применение для выявления дефектов шлифованных деталей подшипников при автоматизированном вихретоковом контроле. 
Для студентов старших курсов и аспирантов машиностроительных 
направлений. Представляет интерес для специалистов, занимающихся вопросами применения интеллектуальных систем и технологий в высокоточных 
наукоемких изделиях в машино- и приборостроении. 
 
 
 
УДК 004.89:621.0 
ББК 32.81332.965 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1678-8 
” Игнатьев А. А., Казинский А. А., Игнатьев С. А., 2024 
” Саратовский государственный технический 
    университет имени Гагарина Ю. А., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
...................................................................................... 
5 
1. РАЗВИТИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ 
И ТЕХНОЛОГИЙ ............................................................................ 
8 
1.1. Историческая справка о развитии систем 
искусственного интеллекта ....................................................... 
8 
1.2. Основные стратегии развития 
интеллектуальных систем и технологий ............................... 16 
1.3. Основные направления применения 
искусственного интеллекта .................................................... 22 
2. МОДЕЛИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗНАНИЙ .............................. 50 
2.1. Базы данных и знаний 
...................................................... 50 
2.2. Продукционная модель 
.................................................... 51 
2.3. Фреймовая модель 
............................................................ 53 
2.4. Семантическая модель ..................................................... 55 
2.5. Логическая модель ........................................................... 56 
2.6. Синаптическая модель ..................................................... 56 
3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ ............................................................................. 58 
3.1. Принципы построения интеллектуальных 
систем управления................................................................... 58 
3.2. Технологии обработки знаний ........................................ 63 
3.2.1. Технология экспертных систем ................................... 63 
3.2.2. Технология нечеткой логики 
........................................ 68 
3.2.3. Технология нейросетевых структур ............................ 78 
3.2.4. Технология ассоциативной памяти.............................. 89 
4. ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ .................................................... 99 
4.1. Структура и классификация экспертных 
систем ....................................................................................... 99 
4.2. Технология разработки экспертных систем ............. 
105 
4.3. Инженерия знаний 
.......................................................... 
112 
4.4. Применение экспертной системы поддержки 
принятия решения при диагностировании 
автоматизированных станков 
............................................... 
115 
4.4.1. Основные задачи, решаемые экспертными 
системами в машиностроении 
.............................................. 
115 
 
3 

4.4.2. Экспертная система поддержки принятия решения 
при диагностировании токарных модулей 
.......................... 
119 
5. ТЕХНОЛОГИЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ ................ 
137 
5.1. Методическое обоснование применения 
теории распознавания образов для контроля 
состояния объектов ............................................................... 
137 
5.2. Алгоритмизация процесса распознавания 
состояния объекта ................................................................. 
145 
5.3. Распознавание дефектов шлифованных 
деталей подшипников при автоматизированном 
вихретоковом контроле ........................................................ 
149 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................... 
169 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
.......................................................... 
170 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Понятия «искусственный интеллект», «интеллектуальные системы», «интеллектуальные технологии», «интеллектуальное управление» достаточно широко используются в настоящее время при решении ряда задач управления, относящихся к 
сложным техническим и технологическим системам, таким как 
летательные аппараты, интеллектуальные роботы, автоматизированные станки, энергетические установки, системы мониторинга оборудования и другими. Кроме того, к области искусственного интеллекта относятся также способы обработки информации, которые не могут быть выполнены обычными алгоритмическими методами, например, распознавание образов 
(изображений, речи), постановка диагнозов в технике и медицине. Интеллектуальные системы и технологии дают практически значимые результаты и по многим направлениям, в особенности при решении задач управления сложными объектами технического, биологического, медицинского и т. п. назначения, 
где постоянно приходится сталкиваться с решением не формализуемых или трудно формализуемых задач. Обеспечение качества и надежности функционирования таких объектов является 
одной из них. 
Системы искусственного интеллекта - одно из самых 
перспективных научно-технических направлений, в рамках которого разрабатываются методы решения сложных задач на основе моделирования умственной деятельности человека, решающего подобные задачи, что способствовало разработке и реализации систем с использованием интеллектуальных технологий. Области применения интеллектуальных систем и технологий (ИСТ) постоянно расширяются, охватывая такие как управление летательными аппаратами, робототехническими комплексами военного, производственного и медицинского назначения. 
В них используются методы распознавания образов, экспертные 
системы, нейронные сети и другие методы. Для реализации таких систем необходимы соответствующие аппаратные средства 
и специальное программное обеспечение. 
В области обработки информации широко применяются 
интеллектуальные информационные системы, которые автома5 

тизируют обработку информации, представленную в виде текстовых, графических, фото- и видеоданных, а также знаний, 
представленных вербальным описанием, математическими соотношениями и алгоритмическим описанием. Указанное востребовано в повседневной деятельности, на работе, в учебе 
и дома. 
Применение в производстве сложных технических систем, таких как станки с цифровым программным управлением, 
автоматизированные технологические комплексы, роботы различного назначения, которые представляют собой мехатронные 
системы, обусловило необходимость построения их систем 
управления с использованием интеллектуальных технологий, 
основанных в основном на знаниях. 
Особое внимание уделяется развитию обучаемых интеллектуальных систем на базе нейронных сетей и когнитивных 
систем, использующих принципы организации структуры и 
функций нервной системы человека, обладающих способностью 
накапливать знания и принимать решение. 
В последнее время руководители системы высшего образования уделяют внимание изучению методов применения 
ИСТ, включая в учебные программы вузов дисциплины под 
названиями: 
‡ «Интеллектуальные информационные системы»; 
‡ «Системы искусственного интеллекта»; 
‡ «Нейронные сети»; 
‡ «Интеллектуальные системы»; 
‡ «Интеллектуальные системы и технологии»; 
‡ «Интеллектуальные технологии»; 
‡ «Основы искусственного интеллекта»; 
‡ «Прикладные методы искусственного интеллекта»; 
‡ «Интеллектуальный анализ данных». 
В высокой востребованности указанных дисциплин для 
современных специалистов различного профиля можно убедиться, взаимодействуя с пользователями IT-продукции, а также 
знакомясь учебными планами вузов по соответствующим 
направлениям обучения. 
Как показывает опыт, изучение методов создания и применения интеллектуальных систем обычно не ограничивается 
6 

сдачей зачетов и экзаменов. Освоив теоретическую базу и технологии применения ИСТ, студенты применяют их при выполнении курсовых работ, выпускных квалификационных работ 
бакалавров, магистрантов и специалистов. Уже после окончания 
вуза выпускники создают свои собственные инновационные 
предприятия, разрабатывая и внедряя интеллектуальные информационные системы в промышленности, экономике, бизнесе, 
медицине и криминалистике, педагогике и психологии и т. д., 
причем сфера их деятельности и успешного внедрения результатов постоянно расширяется. 
Для успешного применения ИСТ в различных областях 
необходимо осуществлять подготовку специалистов, владеющих знаниями не только в своей предметной области, но и компьютерными технологиями. Появление в учебных планах вузов 
дисциплин, связанных с ИСТ, способствует повышению значимости данного направления практически для любой сферы деятельности. 
В рамках данного учебного пособия отражены основные 
понятия, направления и методы искусственного интеллекта, история и перспективы развития, а также примеры практического 
применения рассмотренных интеллектуальных систем и технологий в машино- и приборостроении.

 
7 

1. РАЗВИТИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ 
И ТЕХНОЛОГИЙ 
 
1.1. Историческая справка о развитии систем 
искусственного интеллекта 
 
Искусственный интеллект - это наука, направленная 
на изучение и моделирование главного атрибута человека - 
мышления. До настоящего времени нет полной определенности 
в том, как функционирует мозг человека и как осуществляется 
мышление, что и определяет основные трудности при разработке ИСТ. 
Попытки объяснить механизм мышления человека имеют давнюю историю: Платон (IV в. до н. э.), Аристотель (IV в. 
до н. э.), Декарт (XVI в.), Спиноза (XVII в.), Лейбниц (XVII в.), 
Буль (XVIII в.) и многие другие исследователи на уровне доступных им знаний стремились описать мышление как совокупность некоторых элементарных операций, правил и процедур. В 
полном объеме формальная аксиоматизация логических рассуждений представлена в работах таких философов, как Ф. Фреге 
(XVIII в.), Б. Рассел (XX в.), К. Гёдель (XX в.). Первую, зафиксированную в истории попытку создания машины, моделирующей человеческий разум, связывают с именем средневекового 
испанского философа, богослова, изобретателя Раймунда Луллия (XIII в.). Во времена Луллия ученые были заняты поиском 
неких универсальных понятий и истин, которые, будучи связанными между собой, давали бы общую картину мироздания, а 
значит, и ответы на все интересующие человечество вопросы. 
Это был век философов-мудрецов, астрологов и алхимиков, занятых поисками философского камня. Развивая традиции ученых своего времени, Луллий сконструировал механическое 
устройство, состоящее из системы кругов (рис. 1), имеющих 
возможность вращаться. Каждый круг был поделен на секторы, 
окрашенные в разные цвета и помеченные латинскими буквами. 
Круги соединялись друг с другом, и, приводя их во вращение, 
можно было получить различные сочетания символов и цветов - 
так называемую «формулу истины». 
8 

Машины Луллия могли работать в различных предметных областях и давать ответы на всевозможные вопросы, составлять гороскопы, ставить диагнозы болезней, делать прогнозы на урожай. 
 
 
Рис. 1. Один из кругов логической машины Луллия 
 
В наиболее позднем варианте логическая машина Луллия состояла из 14 кругов, размеченных буквами и раскрашенных в различные цвета, которые символизировали различные 
понятия, элементы, стихии, субъекты и объекты знания. Круги 
приводились в движение системой рычагов. Поворачиваясь, они 
могли образовать около 18 квадриллионов (18 î 1015) разнообразных сочетаний буквенных и цветовых «истин». Запросы в 
машину вводились с помощью поворота внутреннего круга, на 
котором было начертано девять вариантов вопросов: «Что"», 
«Почему"», «Из чего"», «Сколько"», «Каким образом"», «Где"», 
«Когда"», «Какое"», «Которое из двух"». Фактически машина 
Луллия представляла собой механическую экспертную систему, 
наделенную базой знаний, устройствами ввода и вывода, естественным языком общения. Свести к логическим операциям 
часть знаний о мире, а затем поручить механическому устройству процедуру вывода «формул знания», следующих из накопленной базы знаний, - эта идея искусственного интеллекта прожила семь веков и в наши дни интенсивно развивается. 
9 

Пионером искусственного интеллекта (ИИ) в России по 
праву можно считать коллежского советника С. Н. Корсакова, 
ставившего задачу усиления возможностей разума посредством 
разработки научных методов и устройств, перекликающуюся с 
современной концепцией искусственного интеллекта как усилителя естественного. В 1832 году он опубликовал описание пяти 
изобретенных им механических устройств, так называемых «интеллектуальных машин», для частичной механизации умственной деятельности в задачах поиска, сравнения и классификации. 
В конструкции своих машин С. Н. Корсаков впервые в истории 
информатики применил перфорированные карты, игравшие у 
него своего рода роль баз знаний, а сами машины, по существу, 
являлись предтечами экспертных систем. 
В 40-х гг. ХХ века с появлением электронно-вычислительных машин искусственный интеллект обрел второе дыхание. 
Произошло выделение искусственного интеллекта в самостоятельное научное направление. Сам термин «искусственный интеллект» был предложен в 1956 г. на семинаре с аналогичным 
названием, проводимом в Стэндфордском университете (США). 
Следует отметить еще более раннюю работу, прямо относящуюся 
к проблематике искусственного интеллекта (хотя этот термин в 
ней не использовался) - статью видного английского математика 
А. Тьюринга «Computing machinary and intelligence», опубликованную в 1950 году. Октябрь 1950 года - это вторая (а исторически первая) дата возникновения исследований по искусственному 
интеллекту. В этой статье А. Тьюринг сформулировал свой знаменитый тест, согласно которому компьютер демонстрирует интеллектуальное поведение в том случае, если он способен действовать так, что наблюдатель не в состоянии решить, имеет ли 
он дело с компьютером или с человеком. 
Не существует единого определения, однозначно описывающего это научное направление, поэтому приведем одно из 
них: «Искусственный интеллект - это направление информатики, целью которого является разработка аппаратно-программных 
средств, позволяющих пользователю-непрограммисту ставить и 
решать традиционно считающиеся интеллектуальными задачи, 
при котором общение ведется на ограниченном подмножестве 
естественного языка». 
10