韋洪龍 田文德 李傳坤 徐敏祥

(1.青島科技大學化工學院，山東 青島 266042；2.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室，山東 青島 266071)

人工智能(Artificial Intelligence，AI)是一門正在發(fā)展的綜合性學科，旨在研究如何利用計算機等現(xiàn)代工具設計模擬人類智能行為的計算機軟/硬件系統(tǒng)[1]。50多年來,理論研究和實際應用均得到迅速發(fā)展，研究領(lǐng)域有專家系統(tǒng)、問題求解、自然語言理解、模式識別及機器人等。而專家系統(tǒng)(Expert System，ES)是一種最具代表性的智能計算機應用系統(tǒng)，它能運用專家經(jīng)驗與專門知識，模擬人類專家的思維過程求解問題。

石化裝置的開停車過程通常包含連續(xù)的、并行的及閉環(huán)控制的操作等。由于操作環(huán)境的多變性，可能會導致設備不能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)效率降低，產(chǎn)品不合格，甚至造成重大事故。因此，從經(jīng)濟上和操作上考慮，都需要保證開停車過程是安全和穩(wěn)定的[2,3]。由于開停車過程較為復雜，具有一定的風險和難度，所以操作技術(shù)要求很高。在沒有動態(tài)模擬的情況下，操作人員主要依靠經(jīng)驗進行操作，很少能從理論上予以驗證[4]。因此，針對面向復雜石化裝置開停車過程的崗位工人和技術(shù)人員的指導已成為比較迫切的任務，專家系統(tǒng)是解決這一問題的有效途徑。

筆者提出的停車指導系統(tǒng)，以專家系統(tǒng)工具CLIPS為內(nèi)核，能夠指導用戶根據(jù)知識和經(jīng)驗對開停車過程進行定義。同時，構(gòu)建的用于開停車的專家系統(tǒng)，可以對實際的操作做出相應的指導和評價，在開停車過程中較好地輔助工藝人員操作，確保開停車過程順利進行并優(yōu)化操作步驟[5]。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于從定性和定量兩個方面對開停車過程進行分析，給出當前的操作狀態(tài)，并實現(xiàn)溫度及壓力等參數(shù)在上升速率和時間上的操作控制。

1 系統(tǒng)設計①

在CLIPS知識推理模塊中，模式匹配算法采用Forgy提出的快速模式匹配的Rete算法[6]。該算法的核心是建立由模式網(wǎng)絡和連接網(wǎng)絡構(gòu)成的Rete匹配網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。利用基于規(guī)則系統(tǒng)具有的時間冗余性，存儲已經(jīng)匹配的模式與事實的狀態(tài)信息，在事實庫改變時僅僅對改變事實進行模式匹配檢查[7]。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

停車指導系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。軟件主要分為兩大部分：運行模塊和組態(tài)模塊。用戶在組態(tài)模塊下，通過編輯步驟條件生成CLIPS的規(guī)則庫clp文件。運行模塊下，加載規(guī)則庫clp文件，通過插入實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的事實匹配規(guī)則，觸發(fā)規(guī)則，得到結(jié)果反饋給用戶。

圖1 停車指導系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

1.2 事實設計

CLIPS專家系統(tǒng)可以有效識別的是事實，然后通過已存在的事實觸發(fā)規(guī)則。筆者介紹的開停車指導系統(tǒng)把動態(tài)的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CLIPS可以識別的事實，采用Assert命令插入到專家系統(tǒng)規(guī)則庫中進行推理。同時定義標記事實，通過修改標記事實標明操作已完成。

如，定義標記事實：

(deffacts defflags

(phase-flags (rule 1)( flag 0))

)

修改標記事實：

( ?phase <- (phase-flags (rule 1)(flags 0))

=>

(modify ?phase (rule 1) (flags 1))

)

flag后0表示未操作，1表示操作已完成

1.3 規(guī)則庫的設計

開停車指導系統(tǒng)設計的重點在于設置CLIPS規(guī)則庫。CLIPS采用的是產(chǎn)生式規(guī)則系統(tǒng)，也稱為IF-THEN規(guī)則。它依據(jù)人類大腦記憶模式中各種知識塊之間大量存在的因果關(guān)系即“條件-行動”式，用IF-THEN型的產(chǎn)生式規(guī)則來表示知識。其突出優(yōu)點是規(guī)則之間相互獨立，模塊化好，給出滿足條件，則激發(fā)規(guī)則要執(zhí)行的動作。同時對不同的控制要求定義不同的模板。

如，模板定義：

(deftemplate phase-state ——狀態(tài)變量

(slot type)

(slot value)

(slot time (default-dynamic (time)))

(slot flags (type INTEGER))

)

(deftemplate phase-flags ——標志變量

(slot rule)

(slot time)

(slot flags (type INTEGER))

)

規(guī)則定義：

(defrule rule-1

(phase-state

(type ZI101.PV)(value ?x)(time ?y)(flags 1))

(test (> ?x 0.5))

?phase <- (phase-flags (rule 4)(flags 0))

=>

(modify ?phase (rule 4) (flags 1)(time ?y))

(printout t " ZI101.PV 已經(jīng)打開"crlf)

)

基于CLIPS的開停車指導系統(tǒng)對CLIPS的產(chǎn)生式規(guī)則進行了封裝，用戶不需要掌握CLIPS的語法規(guī)范，也不需要自己創(chuàng)建規(guī)則庫，只需在提供的組態(tài)界面上添加開車步驟需要的位號、條件、說明及各種指標要求等[8]，系統(tǒng)自動把用戶的要求轉(zhuǎn)換為專家系統(tǒng)中的規(guī)則，用戶也可以對這些規(guī)則進行自行修改。組態(tài)設置界面如圖2所示。

圖2 組態(tài)設置界面

1.4 推理機制及反饋結(jié)果

推理機是專家系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動的特點，CLIPS系統(tǒng)設計成正向鏈推理形式,由模式匹配算法、沖突消解策略及規(guī)則RHS執(zhí)行等組成。使用CLIPS建立的產(chǎn)生式系統(tǒng),不必編寫專門的推理機程序,只需按語法規(guī)則建立規(guī)則庫。系統(tǒng)的運行模塊周期性插入事實，推理機根據(jù)此事實搜索，按選擇策略來激活規(guī)則，并將所激活的規(guī)則放入議程中，根據(jù)所選擇的沖突消解策略對被激活規(guī)則的右部執(zhí)行，得到反饋結(jié)果。

2 實例應用

以催化裂化反應再生工段的DCS仿真系統(tǒng)為測試平臺，針對規(guī)則庫語法、結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系以及反饋結(jié)果進行測試，并且每次組態(tài)信息更新后都必須重復此項工作。針對流量、溫度、壓力和液位這4類關(guān)鍵變量，從定性和定量兩方面重點進行控制和檢測。

定性控制的應用見表1。對完成的操作，其操作狀態(tài)已經(jīng)改變。如果操作正確則顯示成功，否則顯示失敗，同時根據(jù)推理結(jié)果，給出操作不當?shù)脑颉＿@充分表明該系統(tǒng)對開停車過程能夠準確監(jiān)測與判斷。

表1 操作狀態(tài)控制說明

定量控制的應用以速率控制和質(zhì)量評價表示。在催化劑罐裝過程中，采用速率控制方案控制液位的高度?？刂浦芷?s，控制速率0.4%/s，每一周期計算其上升速率，滿足條件后進行下一周期計算，否則彈出錯誤提示。催化劑罐液位百分比控制結(jié)果如圖3所示。在105s、液位百分比在42%之前，實際液位上升速率一直在控制液位上升速率之下，符合要求。105s、液位百分比42%之后，實際液位上升速率過快，超出控制液位的要求，界面上會彈出速率條件不滿足的提示。

圖3 催化劑罐液位百分比控制曲線

再生器氧含量控制曲線如圖4所示。再生器氧含量控制過程中，控制目標是3%，偏差要求是上偏差1.0%，下偏差0.5%，即最佳控制范圍是2.5%～4.0%。采用評分方式評價其操作質(zhì)量。由圖4可以看出，當達到評分要求不小于2%時，開始評分。當超出偏差上限時，分值開始下降，同時累積偏差逐漸變大，當累積的平均偏差超出其要求值1%時，分值為0%。這說明再生器氧含量已經(jīng)嚴重偏離了其操作要求，應當予以修正。

圖4 再生器氧含量控制曲線

3 結(jié)束語

開發(fā)了用于石化裝置的開停車指導系統(tǒng),應用該系統(tǒng)可以構(gòu)建能指導開停車操作的專家系統(tǒng),有利于操作的安全穩(wěn)定。該指導系統(tǒng)依靠其豐富的知識庫，反饋結(jié)果準確，效率較高，并且由于此系統(tǒng)不依賴于某一個具體的石化過程，對于不同的石化過程只需更新指導系統(tǒng)的規(guī)則庫即可實現(xiàn)開停車階段的控制與指導。說明系統(tǒng)具有較好的可擴展性、可移植性，對開停車操作研究與應用具有一定的參考價值。由于建立真正實用可靠的開停車指導系統(tǒng)是一項十分龐大和復雜的系統(tǒng)工程，本系統(tǒng)還需要在工藝過程的邏輯結(jié)構(gòu)及新故障識別能力等方面逐步改進和完善。