Экспертные системы в химической технологии

При создании ЭС управления и технической диагностики ХТП, работающих в реальном масштабе времени, приобретает важные значения несколько новых по сравнению с обычными ЭС задач. Важнейшей из них является эффективность исполнения ЭС. В обычных ЭС факты и знания, на которых основываются рассуждения, носят статический характер. В ЭС управления и диагностики ХТП, или показаний КИП, факты и знания являются динамическими. В таких ЭС может существовать до нескольких тысяч показаний приборов и аварийных сигналов, заметно меняющих величину или состояние в течение нескольких минут.

Задача ЭС управления и диагностики советчика оператора — Доставить экспертные диагнозы состояния ХТП и рекомендовать 1еотложные аварийные мероприятия или операции по обеспечению Экономически оптимальных режимов ХТП. Вот некоторые из возможных производственных ситуаций: 1) при отказе важного датчика и передаче вследствие этого ложной информации ЭС могла бы при помощи БЗ и ХТП обнаружить противоречия и послать оператору аварийный сигнал;

2) при нарушении функционирования ХТП система могла бы найти причины возникших нарушений, отделить их от следствий и помочь оператору в устранении неполадок; для этого она могла бы использовать ЭП технической диагностики.

В приведенных примерах ЭС работает по правилам экспертизы, заложенным в нее при разработке. Потенциальное преимущество ЭС-советчика оператора состоит в том, что она проводит экспертизу во всех отношениях достаточно быстро, обеспечивая постоянную организованную помощь ЛПР,

Основные принципы построения такого класса ЭС, обеспечивающих выполнение этих требований, следующие.

1.Доступ к данным. Необходим эффективный интерфейс передачи данных в реальном масштабе времени между ЭС и КИП.

2. Включение прямой и обратной цепочки рассуждений и программное обеспечение, работающее в реальном масштабе времени.

Для ЭС-советчика ЛПР необходимы обе эти стратегии. Опытный оператор в процессе обычной работы будет просматривать ключевую информацию о ходе ХТП. Это необходимо для поддержания высокого качества управления и обнаружения отклонений, не вызывающих явных аварийных сигналов. Способ рассуждений, отвечающий такому подходу, —это цепочки рассуждений с непрерывным просмотром. ЭП, которые определяют предположительно важные события, непрерывно просматриваются и в случае совпадения условий программе-монитору ЭС дается соответствующий сигнал. Обычные аварийные КИП также могут сигнализировать монитору, если они эвристически отнесены к рангу предположительно важных событий.

Опытный оператор АСУ ТП, получив сигнал, сконцентрирует внимание на возникшей неполадке и будет проводить обратную цепочку рассуждений. Это может выразиться в вызове ЭП, связанных с безопасностью или другими соображениями, а также в сборе и первичном анализе информации, позволяющей сделать вывод о существовании неполадки. При необходимости для диагностических рассуждений применяются логические правила и про цедуры. ЭС имитирует опытного оператора в том отношении, что вызов Логических правил и процедур происходит только тогда, когда они нужны для диагностики неполадки или по требованию очередного шага рассуждений.

3. Вычислительная эффективность. Эффективность рассуждений зависит от структуры программы БЗ, а также от быстродействия

ЭВМ, Кроме того, дедуктивные процедуры обычных рассуждениймогут бмть дополнены ЭП.

На основе использования указанных выше требований к ЭС управления и диагностики ХТП и ХТС созданы ЭС «ЕМС», «ABLE» и «PICON».

Интеллектуальный  (или экспертный) многомерный регулятор «EMC» {«Expert Multi-Variable Controller») состоит из ЭС, блока датчиков и блока регулятора . В базе знаний ЭС хранятся два вида знаний: знания о ХТС — объекте управления; знания о законах управления ХТС. Знания представлены в виде ПП. Знания о ХТС включают следующие знания: о структуре ХТС; об отдельных ХТП и ЕО; об ограничениях для ХТП; об опыте эксплуатации ХТС, Знания  о законах  управления  включают:   описание алгоритмов управления; методы настройки регуляторов; методы выбора контуров управления. Система «ЕМС» работает в трех режимах:

техническая диагностика отказов САУ; принятие решений по выбору алгоритмов управления; реализация алгоритмов управления в реальном масштабе времени.

Гибридная система «ABLE» [ИЗ] использует известные математические модели  ХТП,  различные МПЗ  и  процедуры оптимизации для управления параметрами пучка в ускорителях частиц. В  наибольшей  степени   всем указанным   выше требованиям создания Эс управления и диагностики ХТП и ХТС сответствует ЭС «PICO1V» («Process Intelligent Control» — «Интеллектуальное управление технологической системой»), разработанная фирмой LM1 и успешно работающая  на ряде предприятий фирм «Texaco»  и «Exxon* .

Систему   «PICON»   аппаратурно-программно   реализована   на ЛИСП-машине, имеющей связь с распределенной АСУ ТП обычного типа. При разработке  предполагалось, что ЭС сможет обслуживать до 20 000 показателей КИП. Применялась ЛИСП-машина Lambda фирмы LMI. Интерфейс передачи данных, работающий в реальном масштабе времени, через шину MULTIBUS соединен с ЭВМ, входящей в распределенную АСУ ТП. Данные в инженерных единицах с плавающей запятой или в виде сигналов состояний запрашивает ЭС. Таким образом, распределенная АСУ ТП вместо того, чтобы передавать все данные измерений в аварийные сигналы постоянно, передает только те данные, которые необходимы для рассуждений. В известном смысле ЭС действует подобно опытному оператору, который выборочно контролирует функционирование ХТП, используя свой опыт для выбора конкретных мест, заслуживающих внимания.

При управлении ХТП было обнаружено, что многие вычисления, проверки данных, скоростей их изменения и другие задачи с интенсивными вычислениями выполняются на начальном уровне рассуждений. В связи с этим для повышения вычислительной эффективности в PICON использованы два параллельных процессора с общей памятью.

Экспертная система «Escort-» — это ЭС для анализа и предупреждения отказов в САУ процессами нефтедобычи . «Escort» работает в реальном времени, что требует более сложной управляющей стратегии, так как она должна обрабатывать за одно и то же время сигналы, требующие разных вычислений, анализировать параллельные события, иметь быстрый отклик.

Основные задачи, выполняемые ЭС «Escort»: распознавание событий, которые могут привести к отказам или к ошибке оператора; ранжирование этих событий, присвоение им приоритетов; анализ события для выявления его причины: отказы в ХТП или в САУ, ошибки оператора; ранжирование причин отказов; предоставление результата диагностики оператору; объяснение процедуры диагностики.

Гибкость ЭС «Escort» обеспечивается благодаря использованию расписания, основанного на знаниях. С помощью расписания определяется последовательность использования ресурсов ЭС в зависимости от диагноза, состояния ХТП и требований оператора.

Для повышения эффективности работы ПП в ЭС сгруппированы в различные классы на основе использования метазнаний. Около 20% всех имеющихся ПП рассматриваются в процедуре технической диагностики, остальные —для описания этапа поиска задачи. «Escort» является демонстрационным прототипом. Эта ЭС реализована на ЛИСП-машине на базе ПЭВМ «Хегох-llQS» с помощью инструментальных программных средств «Interlisp-D + Loops». САУ реализована на другой ПЭВМ-PDPll на языке ПАСКАЛЬ. Поток информации, поступающий на вход САУ, дублируется и подается одновременно на вход в ЭС.

Экспертная система технической диагностики «SCCES» («Stress Corrosion Cracking Expert System») разработана фирмой Id для оценки риска коррозионного растрескивания в аппаратах из нержавеющей стали. Система предназначена для инженеров-специалистов по конструкционным материалам и коррозии; ее используют при проектировании и для технической диагностики ЕО. На основе исходных данных (например, наличие трещин) и значений электрохимического потенциала, с учетом знания физико-химических механизмов делаются  качественные выводы относительно риска коррозионного растрескивания. Объем БЗ составляет 100 фактов и 200 ПП.

Экспертная система «МОДЭКС» («Модельно-ориснткрованный диагностический эксперт-») — это ЭС, применяющая процедуру вывода, основанную как на математических моделях, так и на переработке знаний. Основу данной ЭС образуют БЗ, состоящая из двух ярусон. В верхнем ярусе БЗ размещаются специальные ЗН, касающиеся отдельных ХТП и ХТС в целом, а в нижнем ярусе —обобщенная информация об ограничениях, взаимосвязях ЕО, моделях причин неисправностей для разных элементов ХТС. Причинные модели отображают качественные знания о поведении ХТС; модели неисправностей связывают производственные отклонения со множествами событий, каждое из которых может потенциально являться местным источником неисправности. Двухъярусность БЗ увеличивает эффективность ЭС, поскольку применение ЭП ускоряет поиск причин неисправностей.

Решение задач диагностики ХТП и ХТС требует привлечения различных типов знаний: объектов, отношений, понятий, таксономии, характеристик функционирования. Так, например, «химический реактор-? —это пример «объекта», изотермическая реакция — пример «понятия». Классификационные схемы, или таксономии, полезны при наличии иерархической структуры ЗН, например общий класс объектов «теплообменники» подразделяется на подклассы в зависимости от схем взаимодействия. Примером пространственного отношения может служить следующее: «Начало потока 5 связано с реактором 1, а конец —с клапаном 3». Знания о характеристиках функционирования, или поведения, могут принимать форму ограничений на режимы функционирования ХТС, например иметь вид уравнений материальных и энергетических балансов ХТС.

Знания, используемые в «МОДЭКС», также могут быть глубинно-уровневыми и экспериментальными. Глубинно-уровневые чмания являются обобщенными и не зависящими от конкретной ХТС и ХТП. Они включают в себя понятия, ограничения и характеристики поведения ЕО, применимые к множеству ситуаций. /Экспериментальные ЗН — это предыдущий опыт, обычно сводящийся только к некоторому конкретному ХТП или ХТС.

Экспертная система «FALCON» определяет вероятные причины отклонений параметров ХТП от нормы в ХТС, интерпретируя данные, состоящие из числовых значений показаний КИП, положения переключателей и состояния аварийных датчиков. ЭС интер- претирует данные, используя знания о последствиях нарушения нормального режима работы данного ХТП или аппарата и о том, как нарушения на входе этого аппарата приводят к нарушениям на их выходе. Знания представляются двумя способами: в виде набора ПП, применение которых контролируется прямой цепочкой рассуждений, и в виде СТ, отображающих причинно-следственную модель ХТС. ЭС реализована на языке ЛИСП.

В последнее время было сделано много попыток использовать глубинные знания в диагностических ЭС для ХТС. Базы знаний этих ЭС в основном содержат ПП, недостатками которых является отсутствие универсальности, поскольку семантическая модель ХТС должна входить в базу правил.

Предложен новый метод моделирования глубинных знаний и показана его взаимосвязь с объектно-ориентированным программированием .

                                       2.4 Экспертные системы в химии

В настоящее время ЭС «DENDR4L» определяет молекулярную структуру неизвестных соединений, исходя из данных масс-спек-трометрии и ЯМР. ЭС использует специальный алгоритм для систематического перечисления всех возможных молекулярных структур, а затем применяет знания по химии для сокращения этого списка до обозримого размера. Знания в «DENDRAL» представлены в виде процедур для генератора молекулярных структур и в виде ПП для управления данными и вычислительных программ. ЭС реализована на языке Интерлисп и разработана в Станфордском университете.

ЭС «DENDRAL» была одной из первых ЭС, в которой разнообразные ЗН были представлены в виде набора явных ПП. Необходимо особо отметить, что ЭС «DENDRAL» явилась источником многих принципиально новых идей в теории ЭС.

   Эксперты-химики часто испытывают затруднения при копи руировании ЭП, поскольку многое в знаниях специалистов под разумевается   или   рассматриваемая   ПО   не  совсем  совпадает  < областью мх деятельности. С целью устранения таких затруднении была предпринята разработка ЭС «META-DENDRAL». ЭС «МЕТА DENDRAL» помогает определять зависимость масс-спектрометрн ческой фрагментации от структурных особенностей молекул блц годаря наличию ПП фрагментации для данного класса молекул ЭС выводит эти ПП из обучающих примеров, содержащих наборы молекул с известными трехмерными структурами и масс-спектрами. Вначале «МЕТА-DENDRAL» порождает совокупность весьма специальных ПП, описывающих одиночный процесс фрагментации для конкретной молекулы. Затем она использует обучающие примеры для обобщения таких ПП. Далее ЭС пересматривает полученные ПП, чтобы исключить избыточные или некорректные ПП. «META-DENDRAL» реализована на языке Интерлисп.

Экспертная система «CONGEN» помогает определять наборы возможных структур неизвестных соединений. Химики предоставляют системе «CONGEN» спектрометрические и химические данные, перечень необходимых и запрещенных связей между атомами в соединении. «CONGEN» находит все возможные способы составления из атомов молекулярных структур, удовлетворяющих указанным   ограничениям,   и   предоставляет   в   распоряжение   специалиста-химика ряд структурных схем соединений, образующих исчерпывающий список таких структур-кандидатов. ЭС порождает структуры-кандидаты, используя разнообразные алгоритмы теории графов. «CONGEN» реализована на языке Интерлисп и представляет собой подсистему ЭС «DENDRAL», а также используется в качестве генератора гипотез в ЭС «Heuristic DENDRAL».

Система «CRYSALIS» определяет трехмерную структуру белка по распределению плотности электронов (РПЭ).ЭС интерпретирует информацию  по дифракции рентгеновских лучей,  включающую информацию о положении и интенсивности рассеянных волн, и выводит атомную структуру. ЭС использует знания о составе белка и рентгеноструктурном анализе, а также эвристики, чтобы с помощью анализа РПЭ получать и проверять гипотезы относительно правдоподобных белковых структур. «CHYSAL1S» использует архитектуру типа «доски объявлений», содержащей независимые источники знаний для выдвижения и проверки многоуровневой структуры гипотез. ЭС написана на языке ЛИСП.

Экспертная система «OCSS» помогает планировать синтез сложных органических молекул. ЭС анализирует молекулы-цели, пред-нпложенные специалистом-химиком, распознавая функциональные Фуппы, цепи, кольца, избыточность или симметрию скелета мо-чгкулы, применяя к ним химические преобразования и оценивая получающиеся структуры молекул с точки зрения корректности, 1',цинственности и простоты. Система реализована на ЭВМ «DEC » в Гарвардском университете. ЭС “SEC” помогает химикам пштезировать сложные органические молекулы. Специалист-химик задает структуру желаемой молекулы, а ЭС порождает план падания такой молекулы из набора более простых молекул — строительных блоков». Этот план представляет собой в основном последовательность химических реакций, применяемых к функциональным группам атомов. ЭС с помощью специалиста-химика ищет путь от молекулы к более простым молекулам до тех пор, пока не определит маршрут от молекулы-цели до «строительных блоков». SECS реализована на Фортанё.