Экспертные системы в химической технологии

Экспертная система «НЕАТЕХ», разработанная в Питсбургском университете [90], предназначена для синтеза оптимальной ТС, входящей в СР со связанными тепловыми потоками. В этой системе реализованы модели представления декларативных и процедурных знаний, предусмотрена числовая оценка сгенерированных решений. Первоначально ЭС генерирует исходную ТС, которая затем, в диалоговом режиме, модифицируется ЛПР и количественно оценивается с помощью цифрового моделирования. Система является демонстрационным прототипом; объем БЗ —115 ПП.

В Цинхуа университете (Китай) разработана РЭС «SPHEN» («Synthesis of Practical Heat Exchanger Network») синтеза оптимальных ТС, обладающих малой чувствительностью к изменению коэффициентов теплопередачи ТА, скоростей и температур горячих и холодных потоков ТС [100]. В «SPHEN» знания представлены в виде ПП и вычислительных процедур. Для генерации оптимальных технологических схем ТС используются эвристическо-декомпози-циоиные методы и метод «температурного сближения» («pinch»-метод). Система «SPHEN» программно реализована на языках ФОРТРАН и GCIJSP. Взаимодействие различных языков программирования реализуется с помощью дисковых файлов, внешних функций, каналов и соединений.

2.2. Консультирующие экспертные системы к химической технологии

Среди консультирующих ЭС рассмотрим системы выбора катализатора; расчета параметров фазового равновесия МКС; составления композиций агрохимикалиев.

Гибридная система «DECADE» («Desining for Catalyst Development») — демонстрационный протопит ЭС выбора катализатора, разработанный в Карнеги-Меллон университете.

Для выбора катализатора необходимо ответить натри основных вопроса: какие свойства материала катализатора влияют на протекание реакции, как именно влияют и каково взаимное влияние компонентов катализатора на протекание реакции. Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо провести стехиометрический и термодинамический анализы, иметь классификацию реакций, классификацию химических связей между компонентами вещества, модели механизмов процессов, протекающих на поверхности катализатора. Необходимая информацию является неоднородной, или гибридной, по типам подзадач, по методам, используемым для их решения. Некоторые подзадачи формализуемы, существуют алгоритмы их решения, которые должны быть включены в ЭС.

Для реализации системы «DECADE» выбрана специальная модель структуры БЗ — типа «доски объявления», или «классной доски» . Эта модель состоит из структуры данных («классной доски»), которая содержит информацию (контекст), позволяющую взаимодействовать между собой набору различных источников знаний. Последние существуют в «DECADE» раздельно и независимо. Они соответствуют подзадачам декомпозиции и входят в правую и левую часть ПП. Контекст —набор входов, содержащих информацию о процедуре решения (понимание наблюдений, ожидания, гипотезы, решения, цели, интерпретации, суждения и ожидания). Общее управление в «DECADE» осуществляет один из источников знаний —«Центр Внимания» (ЦВ).

Посто того как ЛПР выбирает тип решаемой подзадачи, правило «пересылки цели» пересылает на КД описание цели решения. Затем на КД пересылаются ИЗ, которые могут достичь цели, и оценки предлагаемых решений. ЦВ анализирует все предложенные оценки и присваивает приоритеты. ИЗ с наивысшим приоритетом объяв ляется начальной целью. Если ИЗ решает поставленную задачу, управление передается либо ЦВ для перехода к другой подзадаче, либо пользователю —в случае полностью решенной задачи. Если ИЗ не может решить задачу (например, из-за недостаточности данных), управление передается ЦВ для поиска ИЗ со следующим приоритетом. Кроме того, в каждом ИЗ имеется набор ПП (метазнаний), отображающих особенности внутреннего управления.

Модель КД позволяет реализовать ЭС с помощью различных языков программирования и даже на различных ЭВМ, кроме того, используются различные МПЗ и управляющие стратегии для решения разных подзадач.

В Карнеги-Меллон университете разработан прототип ЭС для консультаций при выборе методов расчета фазового равновесия в системах пар/жидкость — «CONPHYDE» («Consultant for Physical Property Designing»). Данная ЭС управляет выбором констант равновесия между жидкой и газовой фазами для имитационного моделирования процессов разделения, исходя из требуемой точности и ожидаемых концентраций, температур и диапазонов давлений. Знания в «CONPHYDE» представлены гибридной схемой, сочетающей ПП и СГ, аналогичной схеме представления «PROSPECTOR».

Механизм вывода основан на использовании коэффициентов уверенности в байесовской теории принятия решений для распространения вероятностей, связанных с данными. Система реализована на скелетном языке, т. е. оболочке ЭС — «KAS», и использует его средства объяснения.

В «CONPHYDE» используют три основных класса фактов:

физические свойства смесей (идеальные—неидеальные, азеот-ропные— неазеотропные, гетерогенные —гомогенные);

методы расчета равновесия (по закону Рауля, по коэффициенту активности, по коэффициенту фугитивности);

методы расчета минимального числа теоретических ступеней разделения (по минимальному флегмовому числу; графический метод).

БЗ содержит 37 ПП выбора 15-ти вычислительных методов, основанных на расчете коэффициента активности и уравнений состояния в зависимости от вещества, температуры и давления.

В химической технологии часто возникают задачи выбора типовых конструкций аппаратов, их узлов и деталей, а также конструкций двигателей, распределительных устройств, тарелок колонн и т. д. по каталогу, ГОСТу, справочнику в зависимости от уже рассчитанных значений параметров ХТП.

ЭС выбора конструкций аппаратов для ХТП производства инертных газов (в основном азота) представляет собой демонстрационный прототип. В качестве исходных параметров исполь зуются мощность производства и чистота продукта. Данные ЭС включают 20 ПП.

Консультирующая ЭС для проектирования колонн ректификации создана в Токийском университете.

Гибридная ЭС составления композиций агрохимикалис в помогает химику разрабатывать композиции (формы выпуска) новых биологически активных препаратов. Процедура принятия ЭС решений состоит из двух этапов: 1) определение типа используемой композиции; 2) определение способа придания интересующему химика препарату выбранной формы. В настоящее время в БЗ имеются ПО для определения вида композиции и способа изготовления эмульгируемого концентрата.

Обеспечено взаимодействие ЭС с несколькими ФОРТРАН-программами, выполняющими различные расчеты, например расчет растворимости.

Данная ГЭС написана для ЭВМ Apollo на диалекте языка ЛИСП (Domain LISP) -версии мобильного стандартного ЛИСПа (Portable Standart LISP), принятой на ЭВМ.

Структура ЭС отражает структуру НФЗ составления композиции агрохимикалиев. Одна из полезных особенностей ЭС заключается в том, что в каждой точке ветвления решения Л ПР может отвергнуть сделанный ЭС выбор, а также выбрать нужное количество проходимых ветвей.

Дедуктивная часть БЗ содержит ПП. Факты, выведенные путем логических дедуктивных рассуждений, и факты, полученные в ответ на запросы, обращенные к ЛПР, запоминаются в похожих структурах БД. Поскольку точки ветвления решения задачи также представляют собой логические дедукции, они запоминаются в структурах данных, аналогичных фактам. Точки ветвления содержат дополнительный поток управляющей информации, относящейся к иерархии НФЗ. Для дедуктивной части БЗ разница между фактами и точками ветвления очевидна.

Верхний уровень в структуре факта—это имя факта, например АКТИВНЫЙ_ИНГРЕДИЕНТ. В каждый факт входят различные свойства, допустимые для этого факта, например РАСТВОРИ-МОСТЬ_В_ВОДЕ. Для каждого свойства в памяти хранится некоторая информация. Во всех свойствах содержится атрибут ЗНАЧЕНИЕ, который инициализируется нулем или недопустимой величиной. Указывается также способ получения ЗНАЧЕНИЯ. В данной версии системы приняты три способа: СПРОСИТЬ, ВЫВЕСТИ и ВЫЗВАТЬ.

Для ускорения работы ЭС ПП выполнены в виде непосредственно исполнимых Лисп-кодов. Предложения ЕСЛИ содержат предикаты. После вычисления предикаты принимают значения «истина»  или  «ложь». Если  все предложения ЕСЛИ   истинны,  выполняются предложения ТО. Они содержат ДЕЙСТВИЯ, меняющие ЗНАЧЕНИЯ других фактов. ПРЕДИКАТЫ и ДЕЙСТВИЯ —это основные элементы для всех ПП. Ограничения на количество содержащихся в ПП предложений ЕСЛИ или ТО отсутствуют. Если необходимо получить более мощное правило, можно легко добавить строительные блоки, написав новые ПРЕДИКАТЫ или ДЕЙСТВИЯ.

Структура ПП позволяет также выполнять простые булевы функции. Предложения ЕСЛИ логически перемножаются (операция И). Различные предложения ТО, являющиеся частями предложения ЕСЛИ с одним и тем же номером, логически складываются (операции ИЛИ). Операция логического отрицания (НЕ) не существует, но ее можно имитировать с помощью предикатов в предложении ЕСЛИ, имеющих противоположный смысл (т. е. БОЛЬШЕ — эквивалент .НЕ МЕНЬШЕ).

ДЕЙСТВИЯ приводят к двум типам предложений ТО'. Первый тип влияет на значение только одного свойства. Второй тип предложений ТО связан со всеми текущими точками ветвления. БВР работает с многозначной логикой, т. е. проводит нестрогие рассуждения. В предложениях ТО каждого ПП содержатся коэффициенты уверенности (КУ). Уравнение для комбинирования положительных уверенностей имеет вид :

КУ = старое_значепие + новое_значение = (старое_значение * но-вое_значение).

Смешанные положительные и отрицательные уверенности просто складываются. Достоинство таких функций заключается в том, что их значения лежат в интервале от -1 до 1.

ЭС проводит также строгие рассуждения при помощи действия ПОЛОЖИТЬ-РАВНЫМ в предложении ТО. Это действие позволяет установить значение КУ, равное +1 (истина) или -1 (ложь), независима от вычисленных ранее значений.

ЭС способна помочь химикам надежно определить, какой ТИП композиции следует изготовлять. Однако единственная ветвь дерева решений, обеспеченная ПП, —это ветвь, соответствующая эмульгируемым концентратам. Система может определить, какие растворители следует испытать для изготовления эмульгируемого концентрата. Эти решения в значительной степени опираются на ПП и расчеты растворимости.

Работа над ПП для выбора эмульгаторов находится в начальной стадии .

 

2.3. Экспертные системы аитоматического управления и диагностики химико-технологических процессов

Для решения НФЗ синтеза систем автоматического управления (САУ)'ХТП разработаны: ЭС фирмы «Chiyoda» и ЭС «CONSULTANT» . Первая ЭС синтеза САУ является демонстрационным прототипом и используется для синтеза САУ ректификационных колонн. Эта ЭС написана на языке UTIUSP для IBM 3033 с применением оболочки «CHIPSH. В качестве знаний система использует не только ЭП экспертов-проектировщиков КИП, но и знания из специальной научно-технической литературы. База знаний включает 96 ПП, половина из которых —знания о ПО, остальные связаны с функционированием ЭС.

Экспертная система «CONSULTANT» существует в двух вариантах, обеспечивающих: 1) синтез САУ ректификационных колонн; 2) синтез САУ турбокомпрессоров с регулированием работы насосов. Система вычерчивает схему КИП и печатает документацию полностью либо выборочно. Затраты времени на синтез САУ с использованием ЭС «CONSULTANT» сокращаются от нескольких дней до 1 часа и менее.

ЭС «CONSULTANT» сущуествует в виде исследовательского прототипа, реализованного на IBM-PC.

Разработана ЭС оценки качества эксплуатации и настройки ПИД-рсгуляторов . Указанная ЭС дает ЛПР ответы на следующие вопросы: Как хорошо функционирует регулятор? Являются отклонения нормальными? Почему корректирующее воздействие не требуется в контуре управления? Определить контуры в САУ, где необходима компенсация «зоны запаздывания» временной характеристики; должна ли она быть увеличена или уменьшена? В каких САУ корректирующие параметры значительно изменились за последние два месяца? Какие регуляторы требуют настройки и какие новые параметры настройки необходимы? Запас устойчивости для контуров; как необходимо его обеспечить?

Данная гибридная ЭС использует различные алгоритмические методы (для наблюдения управления, оценки параметров, настройки регуляторов) с качественным описанием задач управления (например, основные трудности управления из-за нелинейности или динамической неустойчивости).

Фирма Foxboro разработала ЭС «EXACT», которая использует ЭП для настройки ПИД-регуляторов без цифрового моделирования. ЭС «EXACT» перенесена на микропроцессор в виде программы, написанной на «Ассемблере», что исключает возможность ее расширения или модификации после установки.

Разработана ЭС настройки ПИД-регуляторов для САУ реакторами периодического действия, а также разработана ЭС автоматической настройки контуров управления.

Для разработки интеллектуальных прогнозирующих датчиков и адаптивных регуляторов САУ широко используются нейронные сети.

Практический опыт и результаты применения НС для моделирования динамических характеристик ХТП (например, динамики дистилляционнои колонны четкого разделения показали, что применение НС удобно в тех случаях, когда необходимо работать с неточными данными или имеется шум в измерениях, и главным образом тогда, когда необходимо осуществлять экстраполяцию и прогнозирование динамики. Что касается структуры НС, обучаемых методом обратного распространения, то в задачах анализа динамики ХТП нерационально использование НС с большим числом скрытых слоев. Число узлов и слоев не имеет в общем большого влияния на точность результатов, но существенно влияет на время, необходимое для обучения НС. Самыми удобными для решения задач моделирования динамики ХТП являются НС с одним скрытым слоем. Так как с увеличением числа узлов время обучения повышается значительно, рекомендуется использовать сначала НС с меньшим числом узлов (не более 3—6) и только, если необходимо повысить точность результатов, следует использовать НС более сложной структуры.

Создана ЭС-советчик для проектирования регуляторов — «САСЕ IV» («Computcr-Aided Control Engineering») , которая обеспечивает решение двух основных НФЗ:  1. Постановку и теоретический анализ задачи управления; 2. Разработку стратегии проектирования специальных регуляторов. При решении первой НФЗ используются различные ПП, отражающие опыт экспертов, которые помогают ЛПР создать математическую модель ХТП, выбрать КЭ управления, определить причинно-следственные связи между управляющими, возмущающими и управляемыми переменными. Помимо ПП при выполнении всех указанных операций используются также вычислительные процедуры.

Применение ЭС для управления и диагностики ХТП и ХТС позволяет повысить качество анализа информации о состояниях ХТП и ХТС, осуществить «разумную» подачу аварийных сигналов, улучшить техническую диагностику и обеспечить оптимальное управление ХТП и ХТС. Однако для реализации этих функций необходимо, чтобы ЭС работала в реальном масштабе времени.