基于CLIPS的開停車指導(dǎo)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

韋洪龍 田文德 李傳坤 徐敏祥

(1.青島科技大學(xué)化工學(xué)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(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)科，旨在研究如何利用計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代工具設(shè)計(jì)模擬人類智能行為的計(jì)算機(jī)軟/硬件系統(tǒng)[1]。50多年來,理論研究和實(shí)際應(yīng)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(shí)別及機(jī)器人等。而專家系統(tǒng)(Expert System，ES)是一種最具代表性的智能計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，它能運(yùn)用專家經(jīng)驗(yàn)與專門知識(shí)，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(huì)導(dǎo)致設(shè)備不能穩(wěn)定運(yùn)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(jì)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(fù)雜，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)和難度，所以操作技術(shù)要求很高。在沒有動(dòng)態(tài)模擬的情況下，操作人員主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，很少能從理論上予以驗(yàn)證[4]。因此，針對(duì)面向復(fù)雜石化裝置開停車過程的崗位工人和技術(shù)人員的指導(dǎo)已成為比較迫切的任務(wù)，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(dǎo)系統(tǒng)，以專家系統(tǒng)工具CLIPS為內(nèi)核，能夠指導(dǎo)用戶根據(jù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)開停車過程進(jìn)行定義。同時(shí)，構(gòu)建的用于開停車的專家系統(tǒng)，可以對(duì)實(shí)際的操作做出相應(yīng)的指導(dǎo)和評(píng)價(jià)，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(jìn)行并優(yōu)化操作步驟[5]。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)開停車過程進(jìn)行分析，給出當(dāng)前的操作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)溫度及壓力等參數(shù)在上升速率和時(shí)間上的操作控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

在CLIPS知識(shí)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(luò)和連接網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的Rete匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。利用基于規(guī)則系統(tǒng)具有的時(shí)間冗余性，存儲(chǔ)已經(jīng)匹配的模式與事實(shí)的狀態(tài)信息，在事實(shí)庫改變時(shí)僅僅對(duì)改變事實(shí)進(jìn)行模式匹配檢查[7]。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

停車指導(dǎo)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(yùn)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(yùn)行模塊下，加載規(guī)則庫clp文件，通過插入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的事實(shí)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(dǎo)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

1.2 事實(shí)設(shè)計(jì)

CLIPS專家系統(tǒng)可以有效識(shí)別的是事實(shí)，然后通過已存在的事實(shí)觸發(fā)規(guī)則。筆者介紹的開停車指導(dǎo)系統(tǒng)把動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CLIPS可以識(shí)別的事實(shí)，采用Assert命令插入到專家系統(tǒng)規(guī)則庫中進(jìn)行推理。同時(shí)定義標(biāo)記事實(shí)，通過修改標(biāo)記事實(shí)標(biāo)明操作已完成。

如，定義標(biāo)記事實(shí)：

(deffacts defflags

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

)

修改標(biāo)記事實(shí)：

( ?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(shè)計(jì)

開停車指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于設(shè)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(shí)塊之間大量存在的因果關(guān)系即“條件-行動(dòng)”式，用IF-THEN型的產(chǎn)生式規(guī)則來表示知識(shí)。其突出優(yōu)點(diǎn)是規(guī)則之間相互獨(dú)立，模塊化好，給出滿足條件，則激發(fā)規(guī)則要執(zhí)行的動(dòng)作。同時(shí)對(duì)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(biāo)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(dǎo)系統(tǒng)對(duì)CLIPS的產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)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(hào)、條件、說明及各種指標(biāo)要求等[8]，系統(tǒng)自動(dòng)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(duì)這些規(guī)則進(jìn)行自行修改。組態(tài)設(shè)置界面如圖2所示。

圖2 組態(tài)設(shè)置界面

1.4 推理機(jī)制及反饋結(jié)果

推理機(jī)是專家系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，CLIPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)程序,只需按語法規(guī)則建立規(guī)則庫。系統(tǒng)的運(yùn)行模塊周期性插入事實(shí)，推理機(jī)根據(jù)此事實(shí)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(duì)被激活規(guī)則的右部執(zhí)行，得到反饋結(jié)果。

2 實(shí)例應(yīng)用

以催化裂化反應(yīng)再生工段的DCS仿真系統(tǒng)為測(cè)試平臺(tái)，針對(duì)規(guī)則庫語法、結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系以及反饋結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，并且每次組態(tài)信息更新后都必須重復(fù)此項(xiàng)工作。針對(duì)流量、溫度、壓力和液位這4類關(guān)鍵變量，從定性和定量?jī)煞矫嬷攸c(diǎn)進(jìn)行控制和檢測(cè)。

定性控制的應(yīng)用見表1。對(duì)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(shí)根據(jù)推理結(jié)果，給出操作不當(dāng)?shù)脑?。這充分表明該系統(tǒng)對(duì)開停車過程能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與判斷。

表1 操作狀態(tài)控制說明

定量控制的應(yīng)用以速率控制和質(zhì)量評(píng)價(jià)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(jì)算其上升速率，滿足條件后進(jìn)行下一周期計(jì)算，否則彈出錯(cuò)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(shí)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(shí)際液位上升速率過快，超出控制液位的要求，界面上會(huì)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(biāo)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(píng)分方式評(píng)價(jià)其操作質(zhì)量。由圖4可以看出，當(dāng)達(dá)到評(píng)分要求不小于2%時(shí)，開始評(píng)分。當(dāng)超出偏差上限時(shí)，分值開始下降，同時(shí)累積偏差逐漸變大，當(dāng)累積的平均偏差超出其要求值1%時(shí)，分值為0%。這說明再生器氧含量已經(jīng)嚴(yán)重偏離了其操作要求，應(yīng)當(dāng)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(dǎo)系統(tǒng),應(yīng)用該系統(tǒng)可以構(gòu)建能指導(dǎo)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(dǎo)系統(tǒng)依靠其豐富的知識(shí)庫，反饋結(jié)果準(zhǔn)確，效率較高，并且由于此系統(tǒng)不依賴于某一個(gè)具體的石化過程，對(duì)于不同的石化過程只需更新指導(dǎo)系統(tǒng)的規(guī)則庫即可實(shí)現(xiàn)開停車階段的控制與指導(dǎo)。說明系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性、可移植性，對(duì)開停車操作研究與應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。由于建立真正實(shí)用可靠的開停車指導(dǎo)系統(tǒng)是一項(xiàng)十分龐大和復(fù)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(shí)別能力等方面逐步改進(jìn)和完善。