Gemi Yerleşim Dizaynında Uzman Sistem Uygulaması ÖZET

Transkript

1 Gemi Yerleşim Dizaynında Uzman Sistem Uygulaması Şebnem Helvacıoğlu ve Mustafa İnsel 1 İTÜ Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi, 80626, Maslak-İstanbul helvaci@itu.edu.tr 2 İTÜ Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi, 80626, Maslak-İstanbul insel@itu.edu.tr ÖZET Bu çalışmada Yapay Zeka nın (YZ) alt bilim dalı olan Uzman Sistemler (US) gemi dizaynına uygulanmıştır. Amaç konteyner gemisi dizaynında kullanılacak bir US programının hazırlanması olarak belirlenmiştir. Bu amaç doğrultusunda US program paketi olarak CLIPS (C Language Integrated Production System) seçilmiştir. Bu US DELPHI programı yardımı ile ara yüzler yazılmıştır. Bu sistem mevcut gemilerden oluşan bir veri tabanı ile desteklenmiş ve bu veri tabanı ön dizayn aşamasında gemi boyutları bulmada kullanılmıştır. Geliştirilen dizayn modeli yardımı ile geminin ön boyutları hesaplanmış, ana bölmeleri yerleştirilmiş, üst yapısının yeri ve boyutları tayin edildikten sonra mürettebat sayısı ve yaşam mahallindeki kamaraların yerleri ve minimum alanları uzman bilgisi yardımı ile bulunmuştur. Bu programın sonucu olan kamaralar, yerleri ve boyutları bir bilgisayar destekli dizayn paketi yardımı ile görüntülenmiştir. Bu çalışmada US lerin gemi dizaynına uygulanabilirliği gösterilmekle beraber bir kaç farklı programla dili birden kullanılarak uzman bilgisi, sağ duyu bilgisi bilgisayarda modellenmiş, kullanıcıya rahat kullanım sağlayan, yaptığı işlemleri açıklaya bilen bir paket oluşturulmuş. Anahtar Kelimeler : Gemi Dizaynı; Uzman Sistemler; Bilgi Tabanı; CLIPS. ABSTRACT In the current work one of the subfields of Artificial Intelligence (AI), namely Expert Systems (ES) is utilised into ship design domain. The aim of this work is to develop an ES program for container ships design. For this reason, CLIPS (C Language Intedrated Production System) ES shell is chosen. The user interface of the program is coded in DELPHI, a visual programming language. This program is supported by an existing ships database. This database is used to calculate the principle dimensions in the preliminary design stage. The main transverse bulkheads are located, the size and location of superstructure are determined. The number of crew is calculated to develop the accommodation part of the ship. Expertise is used to develop the compartments and decide its specifications such as compartment area. The end product of this ES is visualised by a CAD program. In the current work suitibality of ES inti ship design domain is examined, expertise about the problem domain and the heuristic knowledge are coded. An ES which explains its way of reasoning is developed. Key Words: Ship Design; Expert Systems; Knowledge Base; Expertise; CLIPS.

2 1. GİRİŞ 1980 li yıllarda bilgisayar teknolojisindeki gelişmeler mühendislikte kullanılan yöntemlerin gelişmesine öncü olmuştur. Eldeki yöntemlerle çözülemeyen problemlere, yeni yaklaşımlar bulma çabası tüm bilim ve mühendislik dallarında devam etmektedir. Bu çabalar bilim adamlarını deterministik yöntemlerden stokastik yöntemlere, prosedürel yöntemlerden sezgisel yöntemlere doğru yeni araştırmalara sevk etmiştir. Bu araştırmalar bilim adamlarını Yapay Zeka (YZ) ve onun alt bilim dallarını geliştirmeye yönlendirmiştir. YZ ve alt bilim dallarının sunduğu problem çözüm yöntemleri son yıllarda ilgi odağı haline gelmiş ve uygulama alanları hızla artmaktadır. Bu çalışmada YZ nın alt bilim dalı olan Uzman Sistemler (US) gemi dizaynına uygulanmıştır. Amaç konteyner gemisi dizaynında kullanılacak bir US programının hazırlanması olarak belirlenmiştir. Bu amaç çerçevesinde mülakat tekniği kullanılarak ortaya çıkarılan uzman bilgisi, kural kitapları ve diğer konu ile ilgili kitaplardan alınan bilgi CLIPS ortamında modellenmiştir. 2. UZMAN SİSTEMLER US ler YZ nın bir alt bilim dalıdır lerde bilim adamları, zeki bilgisayarlar yaratmak yerine daha dar kapsamlı gerçek problemleri bilgisayar yardımı ile çözmeye yönelmeleri ile US lere olan ilgi artmıştır [1]. Feigenbaum uzman sistemleri şöyle tanımlamıştır [2] US ler zeki bilgisayar programlarıdır. Bu programlar problemlerin çözümünde bilgi ve arayüzey kullanırlar. Bu problemler belirli bir alanda uzman bilgisi kullanımını gerektirecek derecede zor olmalıdır. Başka bir deyişle US ler insan tecrübesine dayanan sezgisel yöntemlerin bilgisayarda toplanmış halidir. US ler kuralların, insanların yapabildiği bazı şeylerin nasıl yapılabileceğini bilgisayarda tanımlamanın en iyi yol olduğu fikrine dayanır [3]. Bir US belirli bir problem hakkındaki geniş bilgi tabanı esas alınır. Bu bilgi tabanı, eldeki veriden sonuç çıkarabilecek şekilde düzenlenmelidir. Şekil 1 de bir uzman sistemin yapısı görümektedir. Bilgi Tabanı: çözülmesi hedeflenen problem ile ilgili bilgiyi içerir. Bu kısm alan bilgisi ve hafıza olarak ikiye ayrılabilir. Alan bilgisi problem çözümünün yapılabilmesi için gerekli

3 kuralları (rules) içerir, hafıza ise bilgi tabanındaki kuralların işleme giremesi için gerekli gerçeklerden oluşur (facts). Sonuç Çıkarma Mekanizması: gerçeklere bakarak hangi kuralın sağlandığına karar verir ve hafızadaki gerçeklere göre bir adım sonra hangi kuralın işleme gireceğini belirler. Açıklama: tüm US ler yaptığı işi açıklamalıdır. Hangi kural ve gerçeklere dayanarak sonuca vardığını göstermelidir. Ara Yüzey: kullanıcı ile programın iletişimini sağlayar. Uzman: bir US in yazılabilmesi için en az bir o problem alanının uzmanı ve bir de programlamayı yapacak bilgi uzmanı olmalıdır. Kullanıcı: genelde problem alanını bilen biridir, bilgi uzmanı olması şart değildir. ALAN BİLGİSİ (KURALLAR) BİLGİ TABANI HAFIZA (GERÇEKLER) SONUÇ ÇIKARMA MEKANIZMASI AÇIKLAMA ARA YÜZEY KONU UZMANI/ BİLGİSAYAR UZMANI KULLANICI Şekil 1. Bir Uzman Sistemin Yapısı 2.1 Uzman Sistem Yazılım Araçları US yazılım araçları temel olarak dört grupta toplanabilir: I. US yazılım kabuğu (shell): bir US kabuğu bilgi gösterme, bilgiden sonuç çıkarma mekanizmalarını ve ara yüzeyi bünyesinde bulunduran sistemlerdir. Kabuk bilgi tabanı olmayan, boş bir program gibidir. II. Yüksek seviyeli programlama dilleri: OPS5 gibi verinin bilgisayara girişini, hafızada saklanmasını ve organizasyonunu yapmada kullanıcıya kolaylık sağlayan diller kullanılabilir. Bu dilleri öğrenmesi kolay ve kısıtları azdır [4].

4 III. IV. Program ortamı (environment): kullanıcıya birden fazla yazılım paketini birden kullanma olanağı sağlar. Farklı yazılımlar sayesinde kullanıcı değişik programlama aşamaları için en uygun yazılımı seçip kullanabilir [4]. Bu sistemlerin ilklerinden biri olan LOOPS nesneye (object-oriented) ve kural tabanına (rule-based) dayalı bilgiyi beraberinde sunar. Diğer programlama dilleri: PROLOG gibi US yazmak için gelitirilmiş mantık programlamaya müsait diller dışında, FORTRAN, LISP gibi dillerde US yazılımında kullanılabilir [1]. 3. UYGULAMA US uygulama alanı olarak konteyner gemisi dizaynı seçilmiş ve bu uygulamanın programlama ortamı olarak CLIPS, US kabuğu ve ara yüzey yazılımı için DELPHI programlama dilleri kullanılmıştır. 3.1 Problem Tanımı Bu uygulamadaki amaç bir konteyner gemisinin dizayn probleminin çözülmesi olarak saptanmıştır. Gemi dizayn problemi çok geniş kapsamlı ve kompleks olduğu için, problemin tamamı yerine bütün parçalara bölünerek bir kısmının çözümünü sağlayan bir uzman sistem programı hazırlanmıştır. Bir konteyner gemisinin dizayn aşamalrı ana hatları ile aşağıdaki gibi sıralanabilir. I. Geminin kapasitesi, hızı ve çalışma alanı müşteri isteğidir ve bilindiği kabul edilir. II. Geminin ana boyutları kapasitesine uygun olarak bulunur. III. Geminin formu tesbit edilir. IV. Geminin tekne kısmı ana bölmelere ayrılır, ambarların boyutu, makina dairesi yeri ve boyutu belirlenir. V. Açık hava güvertesinin genel yerleştirmesi üst yapının da boyutu ve yeri gözönünde bulundurularak yapılmalıdır. VI. Boyutu ve yeri belli olan üst yapının dizaynına geçilmelidir. VII. Mürattebat sayısı tesbit edilmeli. VIII. Mürettebat sayısına uygun üst yapı dizaynı yapılmalıdır. Bu çalışmanın amacı, yukarıda tanımlanan problemi çözmek ve sonuca ulaşmak için bir US in oluşturulmasıdır. Bu çalışma aynı zamanda gemi dizaynı alanının US uygulaması için uygunluğunu araştırmayı hedeflemektedir.

5 3.2 US in Bu Çalışmada Uygulanması ALAN BİLGİSİ (KURALLAR) BİLGİ TABANI HAFIZA (GERÇEKLER) AÇIKLAMA (CLIPS KURAL VE GERÇEKLER PENCERELERİ) SONUÇ ÇIKARMA EKANİZMASI (CLIPS) (İLERİ ZİNCİR) (YUKARIDAN AŞAĞIYA TARAMA) ARA YÜZEY (DELPHI) KONU UZMANI/ BİLGİSAYAR UZMANI (10 GEMİ UZMANI) KULLANICI Şekil 2 US in Bu Çalışmada Kullanımı Bölüm 2 de yapısı anlatılan US in oluşturulması için Şekil 2 de görülen araçlardan ve onların özelliklerinden faydalanılmıştır. Alan bilgisi, on uzman ile yapılan mülakatlar sonucu ortaya çıkarılan konteyner gemisi dizaynı uzman bilgisi, kural kitapları ve konu ile ilgili diğer kitaplardan elde edilen bilgilerin düzenlenmesi ile oluşturulmuştur. Uzmanların sağduyu bilgisinide içeren bu bilgi tabanı bilgisayara kurallar olarak tanıtılmıştır. Aşağıda bir kural örneği ve bunun CLIPS ortamında gösterimi verilmiştir: IF geminin deadweighti 3500 ise THEN 1 adet uzak yol kaptanı olmalıdır. (defrule rule-1?f1<-(deadweight 3500) => (retract?f1) (assert (crew uzakyol-kaptanı 1))) Hafızadaki gerçeklerden faydalanarak işleme sokulan kurallar yeni gerçeklerin hafızaya eklenmesini veya kullanılanların hafızadan silinmesini sağlar. Gerçeklerin CLIPS de gösterim yöntemlerinden biri aşağıdaki gibidir: (deffacts facts-1 (speed 16)

6 (TEU 750)) CLIPS yazılım için seçilmesinin başlıca nedeni, bilimsel araştırmaların çoğunda kullanılması ve kullanım kılavuzlarının gayet iy ve kapsamlı hazırlanmış olmasıdır. Bunun yanında sanal ortamdan ücretsiz olarak ve kolayca elde edilebilmekte, hafızada çok fazla yer kaplamamaktadır. Temel olarak iki tip sonuç çıkarma mekanizması vardır. Dizayn gibi problemlerde gerçeklerden yola çıkılarak bir sonuca, amaca uygun bir nesneye ulaşılmak istenir, bu tip sonuç çıkarma ileri zincir (forward chaining) yöntemi olarak adlandırılır. Bu çalışmada dizayn problemi ilgi alanı olduğu için ileri zincir yöntemi kullanılmıştır. Bu mekanizma CLIPS tarafından da desteklenmektedir. Geri zincir yöntemi ise bir ürünün kurallara uyup uymadığının incelenmesi gibi sonuçtan başlayıp gerçeklerin kurallara uygunluğunu araştırma gibi problemlerde kullanılır. Bir US in sonuca ulaşması için çeşitli bilgi tarama yöntemleri vardır. Bu çalışmada yukarıdan aşağıya tar ama yöntemi kullanılmıştır [1]. Şekil 3 CLIPS açıklama penceresi

7 CLIPS in açıklama mekanizması geliştirilen programın açıklama mekanizması olarak kullanılmıştır. Şekil 3 de görüldüğü gibi CLIPS in hafızaya eklediği ve çıkarttığı gerçekleri görüntülemesi, bunları hangi kurallara göre hangi sıra ile yaptığını göstermesi açıklama mekanizmasını oluşturmuştur. Arayüzey DELPHI ile yazılmıştır. Ara yüzey programa veri giriş çıkışının kolayca yapılmasını sağlamakla beraber, sonuçların tablo ve grafik olarak gösterimini kolaylaştırmaktadır. Şekil 4 de DELPHI nin veri girişi sayfası ve Şekil 5 de yapılan işlemin grafik gösterimi örnek olarak verilmiştir. Şekil 4 Veri giriş penceresi Şekil 5 Grafik Gösterim

8 3.3 Programın Yapısı ve Modülleri HIZ KAPASİTE ANA BOYUTLARI HESAPLA PERDELERİ YERLEŞTİR VERİ TABANI MÜRETTEBAT SAYISI LİMAN KURALLARI MÜRETTEBAT ODALARI DİĞER YAŞAM ALANLARI GÜVERTE ALANLARI BİLGİ TABANI YERLEŞİM DİZAYNI Şekil 5 Programın Akış Diyagramı Konteyner gemisi dizaynında, ön dizayn aşamasında kullanılmak üzere hazırlanan US programının akış şeması Şekil 5 de verilmiştir. Program üç ana bölümden oluşmaktadır. Bu bölümlerde yapılan işlemler aşağıdaki gibi özetlenebilir: BÖLÜM 1: bu bölümün amacı hız ve kapasite ön şartlarını kullanarak geminin ana boyutlarının belirlenmesi, bu boyutlara göre sağ duyu bilgisi ve kural kitaplarında ki kısıtları kullanarak enine ana perdelerin, makina dairesi ve ambarların yerleştirilmesidir. Ana boyutların bulunmasında yapılmış gemilerin verilerinin bulunduğu bir veri tabanından faydalanılmaktadır [5]. Veri tabanındaki bilgiler, belli boyutlardaki konteyner gemisi için olup, bu bilgi genelleştirilerek o aralıktaki gemilerin boyutlarının bulunması için formuller, yani kurallar oluşturulmuştur. Güverte üstü yerleştirmesine göre, üst binanın gemi boyu yönündeki boyu, ve gemi genişliğine bağlı olarak genişliği bulunmuştur. Bu bölümden elde edilen çıktılar, diğer bölümlerde veri olarak kullanılmaktadır. Bu program parcası tüm pakettin ilk kısmını oluşturur ve ilk önce çalıştırılır. Diğer bölümlerde kullanılacak çıktılar farklı dosyalara yazdırılır. Bu çıkış dosyalerı yardımı ile bölümler biri arasında iletişim kurar. BÖLÜM 2: Bölüm 2 de liman kuralları ve müşteri isteklerinden faydalanılarak en az gerekli mürettebat sayısı bulunur. Mürettebat sayısının hesabı liman tarafından belirlenen, geminin

9 kapasitesine ve gücüne bağlı yaklaşık 60 kuraldan oluşan kural tabanlı bir sistemdir. Üst yapı dizaynı bu bölümde lede edilen mürettebat sayısına göre bir sonraki ölüm tarafından yapılır. Bu program parçasıda 1 ve 2 den bağımsız olarak çalıştırılır, veriler bir dosyaya yazılır ve bir sonraki bölüm tarafından kullanılır. BÖLÜM 3: bü bölüm, bir birinden bağımsız olarak yazılmış, ama birbirinin şablon ve gerçeklerini kullanan çeşitli program parçalarından oluşmaktadır. Mürettebat kamaralarının tanımlandığı kısımda, kamara bir nesne olarak tanımlanmış ve bu nesnenin çeşitli özellikleri bir şablon içinde verilmiştir. Bu şablon ve CLIPS gösterimi aşağıdaki gibidir: (deftemplate compartment (slot compartment-name) (slot compartment-statu (allowed-values LIVING OTHER)) (slot compartment-member (default NONE) (allowed-values crew bridge-crew engine-crew NONE bridge-officer engine-officer)) (multislot compartment-member-duty(default NONE) (allowed-values watch dayman NONE)) (slot compartment-quantity (default NONE)) (slot compartment-floor (default NONE)) (slot compartment-floor-area (default NONE)) (multislot compartment-connection (default NONE)) (multislot compartment-direction (default NONE) (allowed-values BOW STERN PORT STARBOARD NONE)) (slot compartment-door-face (default NONE)) (slot compartment-window-face (default NONE)) (slot compartment-shape (default REC) (allowed-values L REC NONE)) (multislot compartment-coordinate1 (default 0 0 0)) (multislot compartment-coordinate2 (default 0 0 0)) (multislot compartment-coordinate3 (default 0 0 0)) (multislot compartment-coordinate4 (default 0 0 0)) (multislot compartment-coordinate5 (default 0 0 0)) (multislot compartment-coordinate6 (default 0 0 0)) ) Mürettebat odaları kısmında tanımlanan şablon, diğer yaşam alanları tarafındanda kullanılır ve kamaraların önceden verilen birçok değeri bu kısımlarda yenilenir. Güverte alanlarını bilgisayar ortamında tanımlayan kısmın ardından, kamaralar arası ilişkilerin tanımlandığı program yardımı ile, ilişkilerdeki öncelik sırasına, sağduyu bilgisine göre her bir kamara ilgili güverteye yerleştirilir. 3. Bölüm geniş bilgi tabanından faydalanarak, bir uzman yaklaşımı ile yaşam mahali dizaynının yapılmasında yardımcı olur. 3. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Bu çalışma göstermiştir ki, problemin büyüklüğü açısından bakıldığında, problemin ne çok basit, ne de çok karmaşık olmadığı ve bu alanda US lerin başarı ile uygulanabileceği görülmüştür. Çalışmanın gerçekleşmesi için sadece US programla değil aynı zamanda, DELPHI gibi görüntülemeye müsait bir dille, ara yüzeyler geliştirerekkolay kullanıla bilen, CAD programları yardımı ile sonucu görsel olarak ifade edilen bir program oluşturulmuştur. Bu tip çalışmarın endütri ile paralel geliştirilerek, daha verimli, ekonomik üretimlere ön ayak olması bilimsel çalışmaların pratik hayata geçirilmesi umulmaktadır.

10 4. KAYNAKLAR 1. Helvacıoğlu, Ş., Utilisation of Expert Systems In Container Ship Design, Doktora Tezi, İTÜ Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi, Giarratano, J. and Riley, G.,. Expert Systems: Principles and Programming, PWS Publishing Company, pp.1-594, Taylor, W.A., What Every Engineer Should Know about Artificial Intelligence, The MIT Press, pp , Jackson, P., Introduction to Expert Systems, Addison-Wesley Publ., pp.1-96, Alasehir, E., Gemi Veri Tabanı, Bitirme Çalışması, İTÜ Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi, 2000.