Sistemas de Apoio à Decisao para Problemas de Layout: umaabordagem através de Inteligência Computacional

Francisco José Negreiros Comes"Departamento de Informática

Centro TecnológicoUniversidade Federal do Espírito Santo

E-mail : negreirolhnf . uf es . br

ResumoPropomos o uso de princípios de modelagem visual interativa para desenvolvimento de geradores de Sistemas de Apoio à Decisãona solução de problemas de layout. Es tes sistemas são centrados no usuário e fornecem um suporte ativo de decisão daintegração de t écn ica s de Inteligência Art ificial e de Otimização . O ponto cent ral é a interação homem-máquina para so lução doproblema e tomada de decisão, considerando o conhecimento do us uário, em vez da definição a priori de modelos matemáticos .

PALAVRAS-CHAVES: Suporte Inteligente à Decisão, GIM, Otimização Combinatária•. Modelagem Visual Interativa, Layout

1 Introdução

A classe de problemas de layout representa uma sériede problemas presentes na manufatura integrada porcomputador - CIM. Estes problemas são do tipoNP-completo e são caracterizados por restrições es-pecíficas . Como tal, abordagens por soluções exataspara tais problemas em geral não são adequadas. Porout ro lado, abordagens heurísticas podem incorporarcon hec imento para direcionar o processo de busca desoluções.

Esta classe de problemas tem sido ob jeto de estudo doGrupo de Otimização do Departamento de Informáticada UFES, tendo produzido diversas pesquisas em al-goritmos baseados em heurísticas e metaheurísticas .

P rovedel[13] analisa duas subclasses de pr olem as delayout : corte de peças irr egulares e cortes de peçasreg ulares com padrão não-guilhotina. Nesse trabalho,ap resen ta-se uma abordagem baseada no algoritmo A'e outra abordagem baseada em Simulated Annealing.Também é apresentada uma forma de integração nocontexto de CIM.

Alvarenga, Negreiros-Gomes e Mestria[5] discutem' osproblemas de layout de chão-de-fábrica de linha únicae multilinha e apresentam uma abordagem de meta-heurística baseada em Simulated Annealing e BuscaTabu .

Oliveiraj l l ] descreve o problem a de carregamentode pallets , apresenta uma abordagem via algoritmosgenéticos e faz um estudo comparativo com os algori-mos heurísticos da lit era t ur a .

"Esta pesquisa foi desenvolvida com o apoio do CNPqprocesso No.3üü338/86-4 e projeto PROMET do ProTeM-CC/CNPq

Alvarenga et alli [2], apresentaram um planejador delayout multipropósito baseado na observação de que ,não obstante os diferentes contextos, o sistema pro-posto pode ser aplicado a qualquer prob lema da classe.

Alvarenga et alli [4], descrevem um sistema mu lti-propósito para problemas de corte baseado numa ar-quitetura multi-agente consistindo de uma máquina devisa lização , um sistema baseado em conhecimento , umcatálogo de algoritmos e um planejador de despachopara seleção de algoritmos e controle geral dei sistema.

Lorenzoni e Negreiros-Gomes[9] apresentam o projetoe o desenvolvimento de uma máquina de visualizaçãopara modelagem visual de problemas de cortes indus-triais que interfaceia com os algoritmos propostos porProvedel[13].

Este trabalho visa o apresentar uma arquitetura de Sis-temas de Apoio à Decisão - SAD para problemas delayout, baseados em modelos de Otimização e técnicasde Inteligência Artificial, considerando que o usuárioé um especialista na área de aplicação e cujo conhe-cimento é usado para a construção e solução do pro-blema, através de modelagem visual interativa, objetoscom comportamento dinâmico e modelaqem por exem-plos.

Pretende-se obter um sistema com características deum programa com interface confortável e facilidadesde d iálogo com o usuário, através de uma linguagemvisual orientada por objetos, Chang[8].

O sistema pode ser visto como uma aplicação de in-teligência computacional capaz de orientar o processode tomada de decisão em ambiente de manufatura paraa esco lha de soluções por parte dos ger entes dos recur-sos, levando em conta o conhecimento cio esp ecialista.

142

2 Sistemas de Suporte à Decisão

Conceit ualmente um SAD consiste em tres compo-nentes pr incipais: um subsistema de linguagem (SL) ,um subsistema de conhecimento (SC) e um subsistemade processamento de problemas (SPP), conforme Bon-czek, Holsapple e Whinston[7] . O SPP resid e no núcl eode um SAD e sua fun ção pr imária é tom ar problemasrepresentados com o SL e util izar conhecime nto es-pecífico da aplicação repr esent ado no SC par a gerarinformação de apoio à dec isão através do SL . O SL eo SC são sistemas de represent ação enquanto o SPP éa component e d inâm ica do SAD . A figura 1 apresentauma decr ição de uma est rutura de SAD .

Dada a natureza do ambiente de manufatura e a hie-ra rquia de planejamento multinível, as ca rac te ríst icasque são críticas pa ra os asp ectos de cont role de umaSAD são :

• O SAD pode te r qu e supor tar vár ios usuários emvá rios níveis de um a organização;

• Os obj etivos e fun ções de utilidade dos vários de-cisor es podem ser diferentes. Mas somente uma esom ente um a decis ão deverá ser implementada ecoordenada pelo sistem a.

Um SAD par a cont ro le de manufatura no nível op era-cional deve apresentar as segu intes funções primár ias :gerenc iamento de dados , gerenciame nt o de modelos ,inte rfaceamento com usu ários e dispositi vos .

visões selet ivas que ajude-o a melhor ente nder o pro:blema e a relação entre seus componentes : por exem-plo , o lay-out pode ser apresentado mostrando ape-nas as máquinas e seus fluxos básicos ou omitindo osfluxos mas visualizando as células de manufatura comocírculos e as conexões entre elas .

O usuário pode incrementalmente const ruir, comple-tar e testar modelos . Isto faz com que a inte raçãohomem-máquina seja fácil e concreta , e o processo demodelagem est imula o aprend izado do usuári o sobre asi tu ação não est ru tur ada.

A efet iva cooperaç ão ent re um usuário e um SAD recaina capacid ade do sistema de complement a r a atividadedo usuário com retroalimentação apropriada.

Para um SAD inteligente, Agehrn et alli[6] apresen-taram tres tipos de retroalimentação:

(i) um mecanismo de recá'lculo qu e opera sobre asrelações fun cionais (fórmulas) que o usuário in-troduz dinâmicamente entre as componenters domodelo. Isto garante a consistência do modeloem qualquer estágio, promove o desenvolvimentoincr ementai do modelo e perm it e que o usuárioexecute análises do tipo "o que se" .

(ii) suporte à introdução de informações semânticasem um modelo pelo uso de restrições paraespecificar/ expressar dinam icamente preferências(met as).

3 Paradigmas de Modelagem

(iii) cont role de consistência estru tural qu ando ousuári o usa as primitivas de modelag em para es-pecificar relacionamentos ent re as componentes domodelo .

3.1 Modelagem Visual Interativa

A visualização é um a impor t an te caract eríst ica no am-biente de modelagem . Ela pode chega r a ser cruc ia lpar a suportar usuários de um SAD em :

• adquirir novos dicernimentos na est ru tur a de seusproblemas pela geração de diferentes visões dasit uação de decisão ;

• explorar suas próprias habilidades visuais demaneira que eles possam reconhecer alternat ivase est ratégias signifi ca tiv as duran te o processo deresolução do problem a .

O ideal é que o quadro de repr esentação dos obje-tos seja usado para gera r diferentes visões do modelo.Por exemplo, máquinas poss am ser repr esentadas porum histograma cujos tamanhos depend em d a sua pro-pri edade "capacidade" . O usu ário pode também cria r

Afora o comportamento rea tivo descrito , o sistemapermanece bastante pas sivo (a reação não é .igual aação) . Par a suprir o suporte at ivo, Radhvan[14], o sis-tema deve ser extendido para como um consultorde forma a :

(1) entender e interpret ar as situações de decisão de-critas pelo usuário ;

(2) formular sugestões din amicamente;

(3) suportar a aplicação ad hoc de diferen tes técnicas .

3.2 Modelagem por Exemplos

A principal idéia que sustenta a atividade de consult ainterativa é deixar que o sistema comunique seu con-hecimento pela troca de exemplos concretos.

143

A Modelagem po r Exemplos (MpE) , di ferent e dos sis-temas especialistas (ond e o ob j et ivo pri ncipal é enal-tecer as capac idades autônomas do sistema de reso lverproblemas), explora técni cas de Int eligên cia Artifi cialpara melhorar as capacid ades do sistema na comu-nicação com o usuário num alto nível. O objet ivo daMpE é dar suporte a cria t ividade e intu ição do decisorsem tentar substituir seu julgamen to .

A MpE no SADIt apoia os usuários em empregarmétodos complexos (ferramentas matemáticas e ou-tras técnicas de processamento de in formação) fle-xivelmente dentro de ambientes de modelagem visualinter a t iva . Com isso, os usuários não precisam inter-rom per os seus processos de decisão ou reformular seusmodelos pe la mudança de um modo descrit ivo para umnormat ivo. As alt ernat ivas de decisão qu e o usu áriomodela e an alisa m anua lmente num modo "o qu e se"serve d iretament e como exe mplos para a componentede conhec ime nto do sis tem a .

mente visual e orientado por obj etos , permitindo aosusuá rios descreverem seus problemas d e maneira in-crementai e com uma componente baseada em conhe-cimento , qu e interage com os usu ários pela t roca de"exemplos" e est imulando-os na geração e exploraçãode a lte rn at ivas durante o processo de d ecisão .

Com o objetivo de considerar uma reavalição da pers-pect iva hum ana , Angehrn et alli [6] sugerem que o su-po rte com putac iona l para decisões gerenciais necessitaevo luir :

• Do processamento de dados t rad icional par a oprocessamento visu al da informação ;

• Da manipu lação algor itmica para a manipulaçãod ireta;

• Dos "resolvedo res" de problem as par a am bient esde modelagem sensíveis ao contexto e

3 .3 Objetos comDinâmico

Comportamento

• De sistemas de suporte passi vos para sistemas co-operativos inte ligentes.

Fun cionalmen te, o SAD é com pos to de tr ês partes :

Considerando qu e um ambient e de manufatura é umaorgan ização multin ível, um mesmo objeto de um SADpode ter visões di stintas em contextos difer entes. Alémdisso , para problemas d istintos a interface do SAD como usuário poderá se apresentar de maneir a diferen te,embora intrinsicamente os objetos sejam da mesma na-tureza. Dest a forma , vimos qu e um mesmo obj etopode ter papeis diferentes dependendo do seu inter-locu tor.

Portanto , o SAD qu e pr opomos uti liza o conceito deObjetos com Comportamento Dinâmico - OCD, Ne-greiros et alli[lO] para implemen t ar as diferentes visõesqu e um mesm o obj et o pode ter em fun ção do ambientecorre nte da interface com o usu ário .

4 SAD's Inteligentes

A idé ia básica é usa r princípios de Modelagem VisualIn terativa - MVI, Modelagem por Exemplos - MpE eObj etos com Comportamento Dinâmico - OCD paradesenvolver um Sistemas de Apoio à Decisão - SA Dcentrado no usuário , qu e explore as vantagens da mo-de lagem visual ao mesmo tempo que fornece um su-porte ativo de decisão através da integração apropri-ada de técnicas de Inteligência Artificial - IA com ferra-mentas de Ot im ização . A int er ação Homem -Máquinaé o po nto cent ral na coope ração para so lução de prob-lem as e tom ada de decisão .

Subsistema de Linguagem: Através dele o usu ár iocom unica seus problemas ao sistema usando um alingu agem expressiva (semântica e sintaxe] con-tendo representações , op erações e formas de in-quirir sobre os objetos, al ém de uma capac idadereativa (retroalimentação) ;

Sub si stema de Conhecime n t o: Nesta parte estãocont idos os modelos de programação matem ática ,os dados necessários aos modelos , os métodos (al-goritmos) para resolver os problem as , o conheci-mento específico do contexto do usu ári o e o con-hecimen to de mod elagem (meta-conhecimen to) :

Sub s is t em a Processamento d e P r o blem a s:Aqui se reali za o ger en ciam ento de dad os,métodos , modelos e conhecimento através depr imitivas de modelagem e consis tê ncia dos mo-delos . A funcionalidade é tal qual a de um aplani lha de cá lculo com o uso de uma componentede consulta .

Em particu lar, usamos dois princípios básicos paraproj etar um SAD int eligente visu al interativo para su-portar uma grande variedade de processo s de tomad ade decisão . O primeiro é usabilidade antes da fun-cionalidade.

O SAD é baseado em tr ês const r uções bási cas ,chamadas primitivos de modelagem :

O SAD proposto é um ambiente de modelagem alta-144

• Obje t o s , isto é, ent idades concretas ou abs t ra-tas (recursos de produção , m áquinas , pro cessos ,

LINGUAGEM - SL

MODELAGEM V ISUAL

DO P ROB L EM A

CONST R U ÇÃO DE C L ASSES,

I / PEAR GEO M ETRIA D E M OLDES

E X IBiÇÃO D A 1 IN T E R P R E T A D O RSOLUÇÃO

I <, CONSULTA :

CAPACIDADE REATIVA

I M AGE DA ÁREA

(RESTAURAR)

PROCESSAMENTODE PROBLEMAS - SPP

OBTER POLíGONOS PRIMITIVAS DE

C I RCUN SC R I T OS MODELAGEM

<, /I GERENCIAMENTO

-: <.I C O N SU LT A I AVALIAÇÃO

DE SO L UÇÃ O

CONHECIMENTO - SC

BASE DE CATÁLOGO DE REPRESENT AÇÃO DE PROBLEMAS,..- -.D ADOS A L GORITMOS . CONSTRUTOR DE I N ST ÃNCI A S

. F igura 1: Arquitetura do SADLIt

B

I

1

Diálogo

JAlgoritmos

lSolução

7

6 r'----=---,-----'

3

4

A._+- -+_... Exemplos Jr - L ativam a Base

1 de COnhecimento

t

t

Novo SOluçõodos/stama

Interação commodelo dousuáno

2

3

F igura 2: Suporte Ativo a Decisão no SADL lt

145

moldes.) com um conj unto de atributos (t ipo , ca-pacidade , duração , quantidade. ) ;

• Relações , isto é, ob jetos qu e descrevem de-pendências funcion ais ou est rut urais ent re ou-tr os obj etos (conexõ es, sequenciamento, lay-out ,regiões) ;

• Restrições sobre va lor es de atributos (a capaci-dad e máxima é de 10 peças po r minu to , o tempode "set up" é de 20 minutos , o estoque é de 15peças) ;

Estas pri mitivas genéricas de mode lagem são colocadasà disposição do usu ári o num ambiente visual intera-tivo. O usu ári o pode, de man eira increm entai , des-crever diferen tes sit uaç ões a lte rn at ivas pela int roduçãoe manipulação na tela de objetos concretos associadosa diferentes ent idades do problema.

O segundo princípio é a cooperação ativa: O sist emaassume o pap el de ori en tador e facili t ad or . Duran te oprocesso de decisão , o sistema simula , apoia e sugere aaplicação de mét odos analít icos e outras técnicas par adeduzir informações im portan tes .

Essencialmente , os usu ários pod em realiz ar asseguintes fun ções:

um processo de produção como principal meio de co-municação .

. Exemplos tí picos de t ais ' problemas de decisão são :seleção de equipamentos, formação de células de ma-nufatura , layout de chão de fábrica , cort es industriais,carregamento de pa J1ets e containers e no aux ilio out-ras tarefas mais complexas como na análise das con-sequências de mudar o lay-out de máquin as.

5.1 Arquitetura do SADLIt

A figur a 1 mos tra uma v rsao ger al desse sistema. Osubsiste ma de linguagem tem como elemento princi-pai o in terpretador , o qua l analisa as requisiçôes dousuá rio, t ra nsformando-as em ações pela a t ivação dosout ros mód ulos. O subs ist ema de processamento deproblemas é coorde nado pelo mód ulo de gerenciamentoque ativa os outros módulos para dar suport e às neces-sidades de informação so licitadas pelo 5 L. Além disso ,o SPP ativa o subsist em a de conhecime nto, o qu a l a r-mazena a bas e de dados, a lgoritmos e as regras deprodução como simples informações te xtua is, recu pe-rad as at ravés de casamento de pad rôes .

\

• Analisar situações de dec isão de acordo com seuestilo pessoal e con hecimento ;

5.2 InteraçãoSADLIt

com o Usuário no

• Construi r e comparar vários modelos qua nt ita-ti vos ;

• Ad aptar estes modelos às cond ições de mudança ;

• Avaliar diferentes as pectos de suas at ividades u-sando uma vari ed ade de meios diferent es .

5 Um SAD para Problemas deLayout

Nesta seção ap resentamos uma arqui tet ur a par a umSAD intelig en te no contexto de problemas de !ayou tqu e daqui' por diante chamarem os de SADLI t , segundoa met odologia descri t a em Alvarenga et alli [3 ].

O SADLIt é um exemplo de um sis tem a que suportamodelagem visual inter ativa e t ambém na idéia deMpE como um a form a de aumentar a coo peração ent reo usuário e o sistema. Nossa intenção é que o SADLItseja um sis tema ab er to gerador de SAD 's (t al qu aluma planilha de cá lculo) que possa ser aplicado a umgrande número de si tu ações de decisões qu e poss amser modelad as no contexto pr oblemas de layout . Istopode ser descr it o usando , por exemplo ,' um lay-out de

At ravés das funções de MpE , o 5ADLIt , como mos tr a afig ura 2, apoia os usu á rios em empregar métodos com -plexos (fer ramentas ma temá ticas e outras técnicas deprocessam ento de informação) flexivelmente dentro deambientes de mode lagem visu al inter ativa . Com isso,os usu ários não precisam interromper os seus proc essosde decisão ou reformul ar seus modelos pela mud ançade um modo descrit ivo para um norm at ivo. As a l-ternativas de decisão que o usuár io modela c an alisamanualmente num modo "o que se" serve diretamentecomo exemplos para a componente de conhecimentodo sistema.

Dep end endo do problema de layou t e elo t ipo dousu ári o, at ravés de OCD , a in terface se configura a-dequadament e, apresentando as opções de escolha ine-rentes ao ambiente interativ o.

6 Conclusões

Apresentamos um a arq uit etura de um sistema in-te ligente ele apoio à decisào para problemas de layou t ,basead a nos par adigmas de suporte ativo com uso elemodelagem visu al in tera ti va , mod elagem-por-exempl oe objetos com comportamento d inâmico . At ua lmente

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o sistema está em desenvolvimento com um protótipoem funcion am ento para cada subsistema especificado.

Notadamente o subsistema de linguagem é o mais cru -cial, pois é através dele qu e o usuário dialoga com osistema. Nossa meta é tornar este subsistema muitomais confort áve l do qu e amigável , d ando ao usuário acapacidade de par ti cip ar ativamente do processso demodelag em e de solu ção do problema .

o SADLIt está sendo implementado em ambienteUNIX com X-Window, utilizando-se a ferramentaTK/TCL , Ousterhau t[12], interfaceando com o sub-sistema de conhecimento em C+ + , Stroustrup[15] .

Como implemantações futuras pr et endemos desen-volver um sistema dis tribuido onde cada subsistemase constit ui de um agen te qu e coope ram entre si . Um aarquite t ura natural para representar tal cooperaçãoent re agentes e o compartilhamento de informações éuma rede federativa e distribuida de agentes interrela-cionados, conforme descrito por Afsarrn aneshj l] .

Referências

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