Гибридная экспертная система для управления процессами коксования

Актуальность разработки гибридной экспертной системы для управления процессами коксования определяется сложностью, пожароопасностъю, инерционностью, большим количеством контролируемых различными способами параметров объекта управления и сложностью принятия решения при ликвидации нештатной ситуации, неоднозначностью диапазонов допустимых границ контролируемых (особенно визуально) параметров, сложностью при выборе эмпирических формул для прогнозирования выхода продуктов и состояния объекта по математической модели, что характеризует процесс коксования как объект экспертного анализа.

Тенденции развития современных систем управления химико-технологическими процессами показывают, что они должны быть адаптивными, интеллектуальными. Адаптивность указанных систем обеспечивается возможностью настройки их на: различные типы сырья, вид выпускаемой продукции, аппаратурно-технологическое оформление. Опыт управления сложными, инерционными, потенциально опасными объектами, к классу которых относится процесс коксования, показывает, что при управлении и подготовке персонала необходимо учитывать не только требования к протеканию процесса в эксплуатационном режиме, но и передовой опыт высококвалифицированных операторов и знания химиков-технологов, ученых, являющихся экспертами в данной предметной области. Таким образом, разработка для целей управления процессом коксования гибридной экспертной системы, включающей как интеллектуальные компоненты, позволяющие получить семантическое решение неформализованной задачи, так и цифровую математическую модель, является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка системы оптимального управления сложным, инерционным, потенциально опасным процессом коксования на базе гибридной экспертной системы, включающей подсистему описания экспертных знаний о процессе, подсистему моделирования объекта управления и изучения, что приводит к повышению качества управления и повышению квалификации управленческого персонала за счет формирования интеллектуальных советов оператору по оптимальному управлению в различных режимах функционирования и при различных модификациях технологического процесса.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: •исследовать процесс коксования, выделить его особенности как объекта управления и экспертного анализа, и на основе классификации экспертных систем предложить структуру гибридной экспертной системы для целей управления процессом коксования;

•для реализации алгоритма оптимального управления разработать математическую модель, критерий оптимальности работы коксовой батареи;

•провести анализ методов искусственного интеллекта и выбрать способы реализации алгоритмов сбора и оценки согласованности экспертных знаний, машины вывода, лингвистического процессора для гибридной экспертной системы управления процессами коксования;

•провести анализ методик синтеза систем управления и предложить алгоритм синтеза гибридной экспертной системы для управления сложным, инерционным, потенциально опасным процессом коксования;

•разработать гибридную экспертную систему для управления процессом коксования, включающую математическую модель, базу знаний, базу правил, машину вывода, блоки оптимизации и объяснения решений, интеллектуальный интерфейс (лингвистический процессор и блок регламентированного общения);

•разработать инструментальные средства адаптации с учетом диагностической модели процесса, позволяющие настраивать гибридную экспертную систему для управления процессом коксования на различное аппаратурно-технологическое оформление, тип сырья и производимой продукции. Анализ литературных источников показал:

•в современных условиях все более актуальной становится разработка систем управления, обеспечивающих не только расчет параметров, характеризующих протекание процесса, но и советующих оператору, какие действия выполнять при возникновении нештатных ситуаций, и различные возможности графического отображения информации;

•широкое распространение во всех отраслях промышленности получили системы управления на основе гибридных экспертных систем;

•в химии и химической технологии к неформализованным задачам на стадии эксплуатации относят диагностику и ситуационное управление, т. е. возможные отказы оборудования и управление в аварийных ситуациях;

•экспертная система для целей управления химико-технологическими объектами должна быть гибридной;

•перспективами развития экспертных систем является развитие распределенных систем и систем распределенного интеллекта.

Исследование процесса коксования с точки зрения сложности управления, потенциальной опасности, многообразия модификаций аппаратурно-технологического оформления, типов сырья и готовой продукции позволил сформировать формализованное описание процесса как объекта управления и экспертного анализа. Выявлено 48 вариантов компоновки коксовой батареи, 7 типов готовой продукции, рассмотрены различные источники получения угля. Сформированы вектора входных, выходных, управляющих, возмущающих воздействий и взаимосвязь между ними. Разработана математическая модель, включающая расчеты материальных, энергетических, гидравлических характеристик процесса. На основе анализа существующих критериев сформирован критерий оптимальности работы коксовой батареи по технико-экономическим показателям с учетом ограничений на входные и управляющие воздействия, энергетические затраты, требования к экологии и основным качественным показателям кокса. Структура и алгоритм функционирования системы оптимального управления на базе гибридной экспертной системы предложен^? на основе исследования требований к системам управления, классификации и типовых архитектур экспертных систем, особенностей процесса как объекта управления и экспертного анализа.

Анализ литературных источников о методах формирования систем управления позволил сформировать алгоритм синтеза гибридной экспертной системы для целей оптимального безаварийного управления сложными, инерционными, потенциально опасными процессами, к которым относится процесс коксования угольной шихты. Алгоритм позволяет на основе исследования объекта управления и экспертного анализа сформировать формализованное описание его в виде системы фреймов. На основе анализа сформированного фреймового Описания процесса и требований к системе управления выбрана структура, сформирован алгоритм функционирования, выбраны модели представления знаний, используемых в экспертной системе, разработано алгоритмического и программное обеспечение гибридной экспертной системы для оптимального управления и обучения операторов.

Тестирование сформированной системы оптимального управления процессом коксования для различных модификаций процесса (типа печи и отопительного газа, типа сырья, готовой продукции) показало возможность ее применения в трех режимах:

•оптимального управления процессом, что повышает качество управления за счет снижения аварийности и улучшения технико-экономических показателей с помощью сформированных системой советов по оптимальному выбору вектора управляющих воздействий и рекомендаций по локализации нештатных ситуаций при различных модификациях процесса;

•обучения операторов оптимальному безаварийному управлению процессом при различных вариантах аппаратурно-технологического оформления, типов сырья и готовой продукции, что приводит к повышению квалификации управленческого персонала и, как следствие, повышению качества управления процессом;

•обучения системы, что обеспечивает мобильность, модифицируемость, открытость программного обеспечения системы за счет расширения экспертной компоненты системы при появлении новых знаний о процессе без внесения изменений в программное обеспечение.

Таким образом, проведенные исследования привели к следующим выводам и результатам:

1.Анализ литературных источников о современных системах управления коксохимическими производствами показал, что для оптимального управления сложными, инерционными, потенциально опасным процессом коксования актуальна разработка гибридной экспертной системы т. к. существует необходимость привлечения экспертных знаний при разрешении нештатных ситуаций на процессе с применением эвристических правил, расчета технологических параметров по математическим моделям с помощью эмпирических и полуэмпирических зависимостей. Сформированное формализованное описание процесса коксования содержит анализ изменяющихся характеристик процесса и позволяет адаптировать систему управления на базе гибридной экспертной системы к характеристикам конкретного коксохимического проивзодства.

2.Разработана структура ГЭС для оптимального управления процессом коксования, включающая экспертную систему: БЗ (описание 9 нештатных ситуаций, 25 причин их возникновения и 35 рекомендаций по устранению, 4 правила для прогнозирования нештатной ситуации, 10 правил для поиска по запросу на ограниченно-естественном языке), машину вывода, позволяющую анализировать полученные данные и выдавать рекомендации по оптимальному безаварийному ведению процесса, блок оценки согласованности мнений экспертов при заполнении БЗ, механизм обработки знаний, получаемых от экспертов различных производств и запросов на ограниченно-естественном языке, подсистему объяснения получаемых решенийподсистему редактирования БЗ (в том числе, ее расширения) с оценкой данных, получаемых от экспертов, что позволяет ее адаптировать на разные условия ведения процесса на различных предприятияхматематическую модель коксовой батареи (около 100 эмпирических уравнений расчета материальных характеристик процесса, характеристик коксовой батареи как теплотехнического агрегата, расчета гидравлического режима батареи) и блок поиска оптимальных управляющих воздействий по сформированному критерию оптимальности.

3.Разработана и заполнена БДТП (155 параметровмашина вывода обеспечена средствами доступа к общецелевой СУБД и имеет динамическую связь с БД) — интеллектуальный интерфейс, обеспечивающий возможности обмена информацией в человеко-машинной системе в привычном для пользователя формате (лингвистический процессор с тезаурусом из 9 типовых запросов пользователя и словарем из 25 терминов, меню из пунктов из 7 пунктов и 25 подпунктов, обеспечивающее доступ к различным возможностям системы с учетом эргономических требований и различных способов отображения информациив виде таблиц, схем, графиков).

4.Анализ существующих систем управления, методов их синтеза, позволил предложить методику формирования гибридной экспертной системы для оптимального безаварийного управления сложным, инерционным, потенциально опасным процессом коксования при различных его модификациях и оформить ее в виде продукционно-фреймового алгоритма.

5.На основе алгоритма синтеза сформирована система оптимального безаварийного управления процессом коксования на базе гибридной экспертной системы, выбраны алгоритмы функционирования отдельных подсистем, модели представления знаний (продукционная и фреймовая), разработано математическое и программное обеспечение системы, реализованное в среде объектно-ориентированного программирования Borland С+ + Builder 1 в виде исполняемого.

11 модуля, позволяющего интегрировать его в действующую систему управления процессом. Разработанное программное обеспечение официально зарегистрировано в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ).

6. Тестирование сформированной системы по данным с различных коксохимических предприятий показало применимость ее в режиме интеллектуального советчика оператора при управлении процессом, обучения управленческого персонала выбору оптимальных управляющих воздействий и ликвидации нештатных ситуаций, обучения системы при адаптации ее к изменяющимся условиям техно логических регламентов.

7.Положительный эффект при использовании системы оптимального безаварийного управления процессом коксования на базе гибридной экспертной системы достигается за счет прогнозирования ТЭП процесса и выбора оптимальных управляющих воздействий, снижения аварийности процесса, повышения квалификации управленческого персонала, что приводит к улучшению качества кокса, повышению производительности коксовой батареи, снижению затрат на сырье и энергоносители при соблюдении экологических требований снижению аварийности за счет поддержания оптимального режима протекания процесса.

8.Результаты работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) на кафедре САПРиУ, кафедре Технологии нефтехимических и углехимических производств, применяются при проектировании наукоемких технологий, проводимых ЗАО НПП «КМК-Инжиниринг», .

1. Анализ современных гибридных экспертных систем для управления и обучения производственного персонала потенциально опасными производствами.

В современных условиях особую важность приобретает промышленная разработка прикладных интеллектуальных систем. Она становится одной из наиболее перспективных и наиболее быстро окупающих себя областей в сфере внедрения новых информационных технологий /1/.

Рассмотрим главные концепции и этапы развития систем, основанных на знаниях, и опишем соответствующие технологии искусственного интеллекта. Первый этап связан с формированием базовой концепции (знания + вывод экспертная система) /2−5/, воплощенной в технологии простых экспертных систем. На втором этапе начинает доминировать концепция интеграции различных информационных технологий и создания неоднородных систем, например, путем объединения экспертных модулей с традиционными базами данных и пакетами прикладных программ, что означает развитие «гибридных экспертных систем» /6,7/, а в более общем контексте — «интегрированных интеллектуальных систем» /813/.

При разработке сложных программно-информационных комплексов, применяемых на протяжении всего жизненного цикла продукции, необходимо создание интегрированных интеллектуальных систем. Это — интеллектуальные системы автоматизированного проектирования (ИСАПР), технологической подготовки производств (ИСТПП), интеллектуальные производственные системы (ИПС), интеллектуальные тренажерно — обучающие комплексы (ИТОК), интеллектуальные системы — советчики операторов (ИССО) при управлении динамическими объектами или технологическими процессами /1/.

ВЫВОДЫ.

1.Анализ литературных источников о современных системах управления коксохимическими производствами показал, что для оптимального управления сложными, инерционными, потенциально опасным процессом коксования актуальна разработка гибридной экспертной системы т. к. существует необходимость привлечения экспертных знаний при разрешении нештатных ситуаций на процессе с применением эвристических правил, расчета технологических параметров по математическим моделям с помощью эмпирических и полуэмпирических зависимостей. Сформированное формализованное описание процесса коксования содержит анализ изменяющихся характеристик процесса и позволяет адаптировать систему управления на базе гибридной экспертной системы к характеристикам конкретного коксохимического проивзодства.

2.Разработана структура ГЭС для оптимального управления процессом коксования, включающая экспертную систему: БЗ (описание 9 нештатных ситуаций, 25 причин их возникновения и 35 рекомендаций по устранению, 4 правила для прогнозирования нештатной ситуации, 10 правил для поиска по запросу на ограниченно-естественном языке), машину вывода, позволяющую анализировать полученные данные и выдавать рекомендации по оптимальному безаварийном}/ ведению процесса, блок оценки согласованности мнений экспертов при заполнении БЗ, механизм обработки знаний, получаемых от экспертов различных производств и запросов на ограниченно-естественном языке, подсистему объяснения получаемых решенийподсистему редактирования БЗ (в том числе, ее расширения) с оценкой данных, получаемых от экспертов, что позволяет ее адаптировать на разные условия ведения процесса на различных предприятияхматематическую модель коксовой батареи (около 100 эмпирических уравнений расчета материальных характеристик процесса, характеристик коксовой батареи как теплотехнического агрегата, расчета гидравлического режима батареи) и блок поиска оптимальных управляющих воздействий по сформированному критерию оптимальности.

3.Разработана и заполнена Б ДТП (155 параметровмашина вывода обеспечена средствами доступа к общецелевой СУБД и имеет динамическую связь с БД)', интеллектуальный интерфейс, обеспечивающий возможности обмена информацией в человеко-машинной системе в привычном для пользователя формате (лингвистический процессор с тезаурусом из 9 типовых запросов пользователя и словарем из 25 терминов, меню из пунктов из 7 пунктов и 25 подпунктов, обеспечивающее доступ к различным возможностям системы с учетом эргономических требований и различных способов отображения информациив виде таблиц, схем, графиков).

4. Анализ существующих систем управления, методов их синтеза, позволил предложить методику формирования гибридной экспертной системы для оптимального безаварийного управления сложным, инерционным, потенциально опасным процессом коксования при различных его модификациях и оформить ее в виде продукционно-фреймового алгоритма.

5.На основе продукционно-фреймового алгоритма синтеза сформирована система оптимального безаварийного управления процессом коксования на базе гибридной экспертной системы, выбраны алгоритмы функционирования отдельных подсистем, модели представления знаний (продукционная и фреймовая), разработано математическое и программное обеспечение системы, реализованное в среде объектно-ориентированного программирования Borland С+ + Builder 1 в виде исполняемого модуля, позволяющего интегрировать его в действующую систему управления процессом. Разработанное программное обеспечение официально зарегистрировано в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ).

6. Тестирование сформированной системы по данным с различных коксохимических предприятий показало применимость ее в режиме интеллектуального советчика оператора при управлении процессом, обучения управленческого персонала выбору оптимальных управляющих воздействий и ликвидации нештатных ситуаций, обучения системы при адаптации ее к изменяющимся условиям технологических регламентов.

7. Положительный эффект при использовании системы оптимального безаварийного управления процессом коксования на базе гибридной экспертной.