Intelligent systems in manufacturing: current developments and future prospects

Global competition and rapidly changing customer requirements are demanding increasing changes in manufacturing environments. Enterprises are required to constantly redesign their products and continuously reconfigure their manufacturing systems. Traditional approaches to manufacturing systems do not fully satisfy this new situation. Many authors have proposed that artificial intelligence will bring the flexibility and efficiency needed by manufacturing systems. This paper is a review of artificial intelligence techniques used in manufacturing systems. The paper first defines the components of a simplified intelligent manufacturing systems (IMS), the different Artificial Intelligence (AI) techniques to be considered and then shows how these AI techniques are used for the components of IMS

Supporting adaptiveness of cyber-physical processes through action-based formalisms

Cyber Physical Processes (CPPs) refer to a new generation of business processes enacted in many application environments (e.g., emergency management, smart manufacturing, etc.), in which the presence of Internet-of-Things devices and embedded ICT systems (e.g., smartphones, sensors, actuators) strongly influences the coordination of the real-world entities (e.g., humans, robots, etc.) inhabitating such environments. A Process Management System (PMS) employed for executing CPPs is required to automatically adapt its running processes to anomalous situations and exogenous events by minimising any human intervention. In this paper, we tackle this issue by introducing an approach and an adaptive Cognitive PMS, called SmartPM, which combines process execution monitoring, unanticipated exception detection and automated resolution strategies leveraging on three well-established action-based formalisms developed for reasoning about actions in Artificial Intelligence (AI), including the situation calculus, IndiGolog and automated planning. Interestingly, the use of SmartPM does not require any expertise of the internal working of the AI tools involved in the system

Adaptive Process Management in Cyber-Physical Domains

The increasing application of process-oriented approaches in new challenging cyber-physical domains beyond business computing (e.g., personalized healthcare, emergency management, factories of the future, home automation, etc.) has led to reconsider the level of flexibility and support required to manage complex processes in such domains. A cyber-physical domain is characterized by the presence of a cyber-physical system coordinating heterogeneous ICT components (PCs, smartphones, sensors, actuators) and involving real world entities (humans, machines, agents, robots, etc.) that perform complex tasks in the “physical” real world to achieve a common goal. The physical world, however, is not entirely predictable, and processes enacted in cyber-physical domains must be robust to unexpected conditions and adaptable to unanticipated exceptions. This demands a more flexible approach in process design and enactment, recognizing that in real-world environments it is not adequate to assume that all possible recovery activities can be predefined for dealing with the exceptions that can ensue. In this chapter, we tackle the above issue and we propose a general approach, a concrete framework and a process management system implementation, called SmartPM, for automatically adapting processes enacted in cyber-physical domains in case of unanticipated exceptions and exogenous events. The adaptation mechanism provided by SmartPM is based on declarative task specifications, execution monitoring for detecting failures and context changes at run-time, and automated planning techniques to self-repair the running process, without requiring to predefine any specific adaptation policy or exception handler at design-time

Distributed Planning for Self-Organizing Production Systems

Für automatisierte Produktionsanlagen gibt es einen fundamentalen Tradeoff zwischen Effizienz und Flexibilität. In den meisten Fällen sind die Abläufe nicht nur durch den physischen Aufbau der Produktionsanlage, sondern auch durch die spezielle zugeschnittene Programmierung der Anlagensteuerung fest vorgegeben. Änderungen müssen aufwändig in einer Vielzahl von Systemen nachgezogen werden. Das macht die Herstellung kleiner Stückzahlen unrentabel. In dieser Dissertation wird ein Ansatz entwickelt, um eine automatische Anpassung des Verhaltens von Produktionsanlagen an wechselnde Aufträge und Rahmenbedingungen zu erreichen. Dabei kommt das Prinzip der Selbstorganisation durch verteilte Planung zum Einsatz. Die aufeinander aufbauenden Ergebnisse der Dissertation sind wie folgt: 1. Es wird ein Modell von Produktionsanlagen entwickelt, dass nahtlos von der detaillierten Betrachtung physikalischer Produktionsprozesse bis hin zu Lieferbeziehungen zwischen Unternehmen skaliert. Im Vergleich zu existierenden Modellen von Produktionsanlagen werden weniger limitierende Annahmen gestellt. In diesem Sinne ist der Modellierungsansatz ein Kandidat für eine häufig geforderte "Theorie der Produktion". 2. Für die so modellierten Szenarien wird ein Algorithmus zur Optimierung der nebenläufigen Abläufe entwickelt. Der Algorithmus verbindet Techniken für die kombinatorische und die kontinuierliche Optimierung: Je nach Detailgrad und Ausgestaltung des modellierten Szenarios kann der identische Algorithmus kombinatorische Fertigungsfeinplanung (Scheduling) vornehmen, weltweite Lieferbeziehungen unter Einbezug von Unsicherheiten und Risiko optimieren und physikalische Prozesse prädiktiv regeln. Dafür werden Techniken der Monte-Carlo Baumsuche (die auch bei Deepminds Alpha Go zum Einsatz kommen) weiterentwickelt. Durch Ausnutzung zusätzlicher Struktur in den Modellen skaliert der Ansatz auch auf große Szenarien. 3. Der Planungsalgorithmus wird auf die verteilte Optimierung durch unabhängige Agenten übertragen. Dafür wird die sogenannte "Nutzen-Propagation" als Koordinations-Mechanismus entwickelt. Diese ist von der Belief-Propagation zur Inferenz in Probabilistischen Graphischen Modellen inspiriert. Jeder teilnehmende Agent hat einen lokalen Handlungsraum, in dem er den Systemzustand beobachten und handelnd eingreifen kann. Die Agenten sind an der Maximierung der Gesamtwohlfahrt über alle Agenten hinweg interessiert. Die dafür notwendige Kooperation entsteht über den Austausch von Nachrichten zwischen benachbarten Agenten. Die Nachrichten beschreiben den erwarteten Nutzen für ein angenommenes Verhalten im Handlungsraum beider Agenten. 4. Es wird eine Beschreibung der wiederverwendbaren Fähigkeiten von Maschinen und Anlagen auf Basis formaler Beschreibungslogiken entwickelt. Ausgehend von den beschriebenen Fähigkeiten, sowie der vorliegenden Aufträge mit ihren notwendigen Produktionsschritten, werden ausführbare Aktionen abgeleitet. Die ausführbaren Aktionen, mit wohldefinierten Vorbedingungen und Effekten, kapseln benötigte Parametrierungen, programmierte Abläufe und die Synchronisation von Maschinen zur Laufzeit. Die Ergebnisse zusammenfassend werden Grundlagen für flexible automatisierte Produktionssysteme geschaffen -- in einer Werkshalle, aber auch über Standorte und Organisationen verteilt -- welche die ihnen innewohnenden Freiheitsgrade durch Planung zur Laufzeit und agentenbasierte Koordination gezielt einsetzen können. Der Bezug zur Praxis wird durch Anwendungsbeispiele hergestellt. Die Machbarkeit des Ansatzes wurde mit realen Maschinen im Rahmen des EU-Projekts SkillPro und in einer Simulationsumgebung mit weiteren Szenarien demonstriert

Learning to Prove Theorems via Interacting with Proof Assistants

Humans prove theorems by relying on substantial high-level reasoning and problem-specific insights. Proof assistants offer a formalism that resembles human mathematical reasoning, representing theorems in higher-order logic and proofs as high-level tactics. However, human experts have to construct proofs manually by entering tactics into the proof assistant. In this paper, we study the problem of using machine learning to automate the interaction with proof assistants. We construct CoqGym, a large-scale dataset and learning environment containing 71K human-written proofs from 123 projects developed with the Coq proof assistant. We develop ASTactic, a deep learning-based model that generates tactics as programs in the form of abstract syntax trees (ASTs). Experiments show that ASTactic trained on CoqGym can generate effective tactics and can be used to prove new theorems not previously provable by automated methods. Code is available at https://github.com/princeton-vl/CoqGym.Comment: Accepted to ICML 201

Cognitive Business Process Management for Adaptive Cyber-Physical Processes

In the era of Big Data and Internet-of-Things (IoT), all real-world environments are gradually becoming cyber-physical (e.g., emergency management, healthcare, smart manufacturing, etc.), with the presence of connected devices and embedded ICT systems (e.g., smartphones, sensors, actuators) producing huge amounts of data and events that influence the enactment of the Cyber Physical Processes (CPPs) enacted in such environments. A Process Management System (PMS) employed for executing CPPs is required to automatically adapt its running processes to anomalous situations and exogenous events by minimising any human intervention at run-time. In this paper, we tackle this issue by introducing an approach and an adaptive Cognitive PMS that combines process execution monitoring, unanticipated exception detection and automated resolution strategies leveraging on well-established action-based formalisms in Artificial Intelligence, which allow to interpret the ever-changing knowledge of cyber-physical environments and to adapt CPPs by preserving their base structure.Comment: Preprint from Proceedings of 1st International Workshop on Cognitive Business Process Management (CBPM 2017