Введение к работе
Актуальность темы. Создание и применение интеллектуальных систем поддержки принятия решений (ИСППР) в системах управления (СУ) непрерывными промышленными процессами и установками дает возможность дополнительного повышения эффективности и безопасности управления сложными объектами в нефтепереработке, нефтехимии и других отраслях. Для эффективного использования ИСППР необходимо определить задачи контроля и управления, для которых целесообразно применение ИСППР, разработать концепцию построения ИСППР, структуру и модель представления знаний с учетом основных требований и условий ее применения.
В традиционных подходах к разработке ИСППР для промышленных объектов обычно проводится модернизация технологии, технических средств и системы управления, а затем уже разрабатывается ИСППР, использующая полный объем оперативной информации. Основное внимание уделяется компенсации возмущений, действующих на объект. Решение проблем выявления возможных причин возникновения значительных отклонений контролируемых параметров и предупреждения аварийных ситуаций на основе углубленного анализа данных полностью возлагается на опытных технологов и диспетчеров, как лиц, принимающих решения (ЛПР).
В тоже время на многих действующих промышленных установках модернизация объекта, технических средств управления (ТСУ) и системы управления проводится поэтапно и в течение длительного времени. При этом может изменяться и фактический состав и характеристики ТСУ, использоваться разновременные данные от различных источников, наблюдаться отказы в работе ТСУ и значительные отклонения контролируемых переменных, а ограничения на режимные параметры приходится задавать с большим запасом, что существенно снижает эффективность управления установкой.
Примером такого объекта может служить установка первичной переработки нефти (АВТ) нефтеперерабатывающего завода (НПЗ) Согара (SOGARA - Societe Gabonaise de Raffmage) в республике Габон. Работа установки АВТ НПЗ Согара, эксплуатируемой с 1967 г., происходит в условиях значительных возмущений по качеству местного и привозного сырья, частых изменений требований по выпуску отдельных фракций и продуктов, отказов в работе устаревших средств контроля и управления, а также нехватки специалистов высокой квалификации.
При разработке концепции построения ИСППР для класса объектов, находящихся в условиях поэтапной модернизации производства и частых отказов в работе ТСУ, необходимо решить ряд проблем. Одна из проблем - это автоматизация настройки функциональных возможностей ИСППР на использование фактически имеющейся информации от различных источников оперативных данных в зависимости от текущей ситуации, изменения состава существующих источников данных, отказов в работе ТСУ, задержками в по-
лучении необходимых данных, а также в связи с появлением новых датчиков, приборов, поточных анализаторов, лабораторных анализов, расчетов.
Другая проблема связана с автоматизацией логического анализа состояния объекта, работы оборудования и СУ с выявлением возможных причин возникновения текущих отклонений и нарушений. Важной проблемой является выработка своевременного предупреждения ЛПР о возможных критических изменениях состояния объекта на заданном интервале времени с использованием методов прогнозирования и ситуационного анализа.
Использование традиционных подходов к созданию ИСППР приводит к усложнению и значительному расширению модели представления знаний; сложности автоматизации получения оценок текущего и прогнозируемого состояния объекта, работы технических средств управления и системы управления; усложнению логического анализа нештатных ситуаций и возможных причин их возникновения.
В связи с этим представляется актуальной задача разработки на базе системного подхода концепции, структуры построения ИСППР и прототипа основных ее подсистем, реализующих повышенные требования к управлению объектами с изменяющейся доступной оперативной информацией, с использованием методов интеллектуального анализа данных, совершенствования модели представления знаний и алгоритмов их обработки.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является повышение качества принятия решений ЛПР на основе разработки ИСППР, функционирующей в условиях поэтапной модернизации объекта и системы управления, ориентированной на автоматизацию выбора источников данных и выполнения логического анализа данных, выявления причин возникновения отклонений и нарушений, обнаружения предпосылок возникновения нештатных ситуаций для класса задач контроля и управления типовым непрерывными процессами, на примере установки АВТ НПЗ Согара.
Для достижения указанной выше цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Анализ особенностей принятия решений в задачах контроля и управления АВТ с использованием ИСППР и разработка требований к созданию прототипа ИСППР;
-
Разработка концепции, принципов и методики построения ИСППР на базе использования интеллектуальных средств, углубленного анализа оперативных данных от штатной системы контроля и управления АВТ и анализа результатов прогноза работы АВТ при выборе различных режимов управления;
-
Анализ и выбор математических моделей основных технологических процессов и работы оборудования АВТ, используемых для оценки текущего состояния объекта и получения оценок прогноза состояний объекта при выборе различных стратегий и режимов управления АВТ с использованием встроенной системы полномасштабного имитационного моделирования (СИМ).
4. Разработка моделей представления знаний в ИСППР для выделенных задач контро
ля и управления АВТ;
5. Разработка интеллектуального интерфейса ЛПР с ИСППР;
6. Разработка и экспериментальная проверка основных подсистем прототипа ИСППР.
Методы исследования. При проведении исследований используются методы: имитационного моделирования, системного анализа, ситуационного анализа, искусственного интеллекта, прогнозирования, экспертного оценивания, принятия решений и управления в условии неполной информации.
Научная новизна.
1. Разработана концепция, принципы построения и структура интеллектуальной сис
темы поддержки принятия решений при управлении промышленным объектом в усло
виях его поэтапной модернизации. Концепция реализует принципы: - автоматической
настройки на источники оперативной информации; - автоматизации анализа текущего
состояния объекта, оборудования и системы управления; - выявление возможных при
чин возникновения отклонений режимных параметров от регламентных значений; -
предупреждение о возможном возникновении нештатных ситуаций на основе прогнози
рования и методов ситуационного анализа. Это значительно расширяет функциональ
ные возможности ИСППР и улучшает качество своевременно принимаемых решений.
-
Для основных классов типовых элементов математического описания объекта управления выделены значимые атрибуты и процедуры обработки событий и ситуаций, разработана продукционная модель представления базы знаний (БЗ) с использованием: а) к- значного логического состояния элементов объекта, ТСУ и СУ; б) формирования части продукционных правил на основе данных имитации нештатных ситуаций на СИМ. Это существенно дополняет и уточняет модель представления знаний, получаемую традиционными методами, и повышает надежность оценки различных ситуаций.
-
Предложена модификация распределенной модели представления знаний с разделением вычислений общих продукционных правил различных классов на уровни обработки, обеспечивающие раздельное формирование и анализ фактов, событий, ситуаций, сценариев обработки ситуаций и выбора наиболее эффективных стратегий управления с учетом прогнозирования. Уровневое представление и обработка правил упрощает проверку базы знаний на непротиворечивость, сокращает сроки ее разработки и облегчает ее модификацию в процессе модернизации производства, ТСУ и системы управления.
-
Разработана методика построения ИСППР с использованием:
- единого сценарно-событийного подхода к представлению уровневых моделей знаний, реализованных в специализированных экспертных системах (ЭС), раздельной модификации модулей и рабочих пространств баз знаний и баз данных ЭС, формирования
и модификации шаблонов сценариев работы ИСППР и сценариев интеллектуального интерфейса ЛПР с ИСППР, построенных на базе продукционных правил и фреймов;
- системы полномасштабного имитационного моделирования (СИМ), реализующей модели объекта, изменения сырья, работы оборудования и системы управления. СИМ используется для прогнозирования работы объекта и для определения значимых отклонений контролируемых переменных при имитации на СИМ возможных нештатных ситуаций. На основе данных имитации формируются правила для автоматического обнаружения соответствующих нештатных и аварийных ситуаций в ЭС ИСППР. При проверке правил используются и реальные оперативные данные (факты) и результаты прогноза на СИМ. Данная методика существенно сокращает сроки разработки и отладки ПО ИСППР, расширяет возможности применения ИСППР и повышает качество решений, принимаемых ЛПР.
Основные положения, выносимые на защиту. 1.Концепция, методика и структура построения ИСППР, обеспечивающей повышение качества принятия решений при управлении АВТ в условиях неполной и несвоевременной информации об изменении состава сырья, изменения требований на выходные продукты, изменений состава и характеристик технических средств контроля и управления в процессе модернизации производства и системы управления.
-
Разработка автоматической настройки базы фактов ИСППР на актуальные источники данных и уровневое представление общей модели знаний с выделением соответствующих групп продукционных правил. Построение продукционных правил с использованием данных СИМ при имитации различных не измеряемых (или редко измеряемых) возмущений по сырью и нарушений в работе технических средств управления.
-
Разработка структуры интеллектуального интерфейса пользователя - технолога, диспетчера (ИИП), реализованного на базе продукционных правил и обеспечивающего эффективное взаимодействие пользователей различной квалификации с ИСППР и системой управления АВТ.
-
Разработка прототипа основных подсистем ИСППР, предназначенной для поддержки решения сложных задач контроля и управления АВТ, функционирующей в сложных производственных условиях на различных этапах модернизации производства.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
1. Разработан прототип базы знаний и основных подсистем ИСППР, ориентированной на поддержку принятия оперативных решений ЛПР при управлении типовыми процессами первичной переработки нефти на НПЗ в условиях модернизации производства. Разработка концепции, методики построения ИСППР и уровневой модели представления знаний обеспечивает основу для создания и внедрения промышленной разработки ИСППР для данного класса объектов.
-
Материалы создания и исследования данного прототипа ИСППР предполагается использовать при разработке технико-экономического обоснования проекта модернизации системы управления АВТ и на НПЗ Согара (Республика Габон).
-
Результаты диссертации внедрены в учебный процесс на кафедре «Кибернетики и мехатроники» РУДН в рамках курса «Интеллектуализация управления в технологических процессах».
Апробация результатов, полученных в диссертации, подтверждается докладами на международной научно-практической конференции «Инженерные системы » (Москва 2010г. и 2011г.), на XII и XIII Международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта» (CAD/CAM/PDM-2012, CAD/CAM/PDM-2013), на конференции профессорско-преподавательского коллектива Российского университета дружбы народов (Москва 2011г.), на регулярных рабочих семинарах кафедры кибернетики и мехатроники РУДН, а также на семинаре кафедры Автоматизированных систем управления Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.
Публикации результатов. По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ, 2 из них в журналах входящих в список изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и 6 приложений. Основная часть работы изложена на 172 страницах и содержит 56 рисунков и 17 таблиц.
