（控制理论与控制工程专业论文）蒸馏装置生产过程智能监控与事故预报系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 专家系统是人工智能应用最多的一个分支，开展专家系统的科研及 应用工作最困难的在于专家知识的发现及获取。知识具有两重性即公有 知识和私有知识。相对于私有知识，公有知识比较容易获取，而人工智 能中的专家系统是获取并组织人类专家私有知识的主要技术手段。 随着企业向信息密集化发展，实现了数据处理系统和信息处理系统 的集成的同时，出现了海量数据和信息，需要开发智能系统解决“信息 灾难”问题。蒸馏装置智能监控与事故预报系统是基于知识处理自动化 的思想，在总结专家私有知识的基础上，利用因特摩平台进行二次开发 的实时智能系统。该系统根据实时和历史数据，预报潜在的事故，在线 提供私有知识( 专家系统) 和公有知识( 操作规程) ，协助操作工将事故 消灭在萌芽状态。数模库、知识库的在线自然语言的编程，使数据、信 息、知识的流动及时有效，为蒸馏装置的安全生产提供可靠的技术支持， 并且知识库易于维护。 本文根据使用因特摩开发环境构建蒸馏装置生产过程的智能监控与 事故预报系统的经验，对该系统的整体框架结构进行了阐述，介绍了专 家系统、超媒体显示系统和实时数据仿真器，尤其对知识获取方法和专 家系统知识库的构建进行了深层次的探讨。通过规范的表格从多种途径 获取私有知识是一项标准化的工程管理方法，将此方法应用到系统的开 发中，并具体描述了系统部分案例如何获取以及如何编写规则。 关键词因特摩；蒸馏装置；智能监控：事故预报 华南理1 ：大学硕七学位论文 a b s t r a c t e x p e r ts y s t e m i st h em o s t i m p o r t a n ta p p l i c a t i o n i na r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ef i e l d s t h ed i f f i c u l t y i sh o wt of i n da n do b t a i nt h ee x p e r t k n o w l e d g e t h e r ea r ep r i v a t ek n o w l e d g ea n dp u b l i ck n o w l e d g e o b t a i n i n g t h ep u b l i ck n o w l e d g ei se a s i e rt h a np r i v a t ek n o w l e d g e e x p e r ts y s t e mi s m a i nm e t h o dt oo b t a i nt h ee x p e r t sp r i v a t ek n o w l e d g e w h e nt h ei n t e g r a t i o no fi n f o r m a t i o nt r a n s a c t i n gb e c a m er e a l i z a t i o n w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nc o m p r e s s i o n ，i n f o r m a t i o n c a l a m i t yh a sb e c o m et h es e v e r ei s s u e i n t e l l i g e n ts y s t e mi s am u s t t h e i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n da c c i d e n tp r e v e n t i v es y s t e mf o rd i s t i l l a t i o nu n i t o f p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y i s p r e s e n t e d i t i s i m p l e m e n t e db a s e d 0 1 i i n t e m o rd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dt h ei d e ao fk n o w l e d g ep r o c e s s i n g a u t o m a t i o n t h ei n t e l l i g e n ts y s t e mn o to n l yp r o v i d e sc o n d i t i o nm o n i t o r i n g f o rn o r m a lo p e r a t i o n ，b u ta l s og u i d e st h eo p e r a t o r st ot a k ep r o p e ra c t i o n p r o m p t l ya tt h ee a r l ys t a g ea n dt oe x p l a i nt h er e a s o n sf o rt h ef a u l ta n d i n c i d e n t b o t he x p e r t i s ea d v i c e ( p r i v a t ek n o w l e d g e ) a n dr e l e v a n tm a n u a l ( c o m m o nk n o w l e d g e ) a r ep r o v i d e d i te n a b l e st h ei n - t i m ed a t a ，i n f o r m a t i o n a n dk n o w l e d g ef l o wt oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no ft h ed i s t i l l a t i o nu n i t i t a l s o e n c o u r a g e s u s e r st o u p d a t e t h ek n o w l e d g eb a s ea n dt o a p p l yi n o p e r a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gw o r ko ft h es y s t e ma n d t h ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di sd i s c u s s e d i td i s c u s s e sa b o u tk bb u i l d e r ，v i e w ， w e b v i e w ，s i m u l a t o r ，a n dd e e p l yd i s c u s s e sa b o u tt h ee x p e r ts y s t e m i ti s e n g i n e e r i n gm e t h o dt h a tw eg a i np r i v a t ek n o w l e d g ef r o mv a r i e dw a y t h e m e t h o di sm e n t i o n e di nt h ep a p e r k e yw o r d s i n t e m o r ；d i s t i l l a t i o nu n i t ；i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g ； a c c i d e n tp r e v e n t i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：甲砷瞩日期：即疗年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密区 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：q 砷申明 导师签名 日期：知心年6 月7e 1 日期1 删产6 月1 日 ，l 们哼 p 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 随着生产向大规模机械化发展，生产安全已经成为国内外企业、政 府日益重视的问题之一。各企事业单位在信息技术和自动化设施方面进 行了大量投资，获得的经济效益不明显，但却出现了“信息灾难”，使生 产现场的工人和管理人员精神压力加大。这是因为随着企业向信息密集 化发展，实现了数据处理系统和信息处理系统的集成，同时出现了海量 数据和信息，导致“信息灾难”：要观察和监控的数据和信息大量增加， 现场操作人员无法有效的观察、处理和使用这些海量数据和信息。可见， 观察和监控海量的实时数据和信息不适合人的操作：操作人员既看不完， 也记不住。尤其在紧急状态和突发事件时，由于紧张、疲劳、疏忽或遗 忘，往往导致误操作。所以，应该由智能监控系统将有价值的数据和信 息提供给操作人员，使所获得的海量数据和信息的价值得到充分发现和 利用。 1 1 1 安全问题的重要性 人们在千方百计地寻求使生产能够安全、稳定、商效、持续运行的 系统技术和有效措施与手段。 根据有关文献报告，2 0 0 1 年世界上排名在前1 0 0 名的大公司中的3 4 家生产企业，由于事故导致的经济损失已高达2 0 0 0 亿美元，其中7 0 的 事故是人为因素引起的。在中国，每年由于事故导致的直接经济损失已 超过1 0 0 0 亿元人民币，间接损失则超过了2 0 0 0 亿元，占国民经济总产 值的1 5 ；每天因事故原因而死亡的人数超过了3 0 0 人。虽然事故导致 的设备损坏、人员伤亡和生产停止等所造成的损失是巨大的，但由此所 造成的间接损失更为巨大。 目前在工业生产现场，计算机控制系统提供报警( a 1 a l u m ) 功能，报 警指的是操作变量偏离给定值时所发出的信号。 在过去的三十多年中，大量的科研工作集中在故障诊断的研究和应 用上，无论是数学的方法还是物理的方法，都已经获得了许多成果，相 对成熟。然而，对事故的研究，尤其是采用高新信息科技技术对事故进 行预报和防范的研究却是非常有限的。事故和故障有着本质的区别，故 障( f a u l t ) 有测量信号，而事故( i n c i d e n t 和h c c i d e n t ) 往往没有测 量信号。如在汽车行驶中，刹车坏了是一个故障，汽车爆炸了或者车翻 了则是一个事故，事故具有诱发性、并发性和突发性。目前对事故预报 的研究非常有限。 华南理工大学硕士学位论文 安全是企业生产的重要保证。目前，国内的安全生产形式十分严峻。 基于各种原因，我国已处于事故的高发阶段。为了把居离不下事故发生 率降下来，从源头上遏制住日趋严重的安全生产形势，必须要标本兼治 “两手抓”，一手要抓安全生产意识，另一手必须抓安全科学技术水平的 提高，抓安全科技手段，将高新技术用于安全生产，这两手同等重要， 缺一不可。从首都安全生产信息网( h ! p ；纽巡塑：坠j 鱼y ：q e g ：垒) 可以看到， 在我国，随着经济建设的快速发展，安全生产形式也日益严峻，重大和 特大的安全事故频繁发生，给人民的生命财产安全带来重大的损失，给 中国的对外形象带来损害。目前中国已经成为世界上事故发生频率最高 和损失最重的国家之一。可以说，安全问题已经成为关系到保障人民生 命财产的安全、关系到保障社会的稳定、关系到一个地方和一个国家对 外形象的重大问题，已经成为困扰中国各级政府的重大经济和社会的紧 迫问题之一。对于安全问题的认识，就如十几年前人们对于环境与资源 保护的认识一样，它的重大意义已经不言而喻，要求安全生产与环境资 源保护已经成为现代文明社会和广大人民群众的强烈呼唤。目前，我们 比较多的强调从思想上重视安全，抓规章制度的建设。然而，技术手段 的改进是落实安全生产的基本保证。 综观现有的安全生产技术，可以发现普遍存在下列几个不足： ( 1 ) 通讯障碍：现有的系统不能及时有效地把生产现场的实时状况 传送到高层生产指挥调度中心。 ( 2 ) 信息处理不当，缺乏决箴支持：生产过程中，系统总是把正常 情况的信息和数据源源不断地传给操作工人，而一旦出现异常情况时， 却不能及时地加以识别并给操作工提供操作决策支持。 ( 3 ) 缺乏事故预警及应变措施：即使操作工人和生产调度中心发现 生产出现了异常情况，但也往往不能及时地预警并采取有效的防范措施。 ( 4 ) 未考虑人类因素的影响：人由于自身的弱点，如害怕、紧张、 疲劳、遗忘等情况随时都可能出现，这将使其正常应对和处理异常情况 和突发事变的能力下降，甚至完全丧失。在许多工业事故中，工作人员 在事故发生后不知所措，经常不能对即将出现的事故及时做出晌应。 1 1 2 如何对事故进行预报并加以防范 对生产中发生的事故是否可以做出预报，答案应该是肯定和明确的。 首先，生产事故产生在人类设计和制造出来的机器设备上和生产过程中， 因而具有一定的可控可观性。其次，任何事故的发生都不会是无缘无故 的，在事故发生之前总会有蛛丝马迹暴露出来。事故的发生都是有规律 可寻的，关键是人们是否抓到了事故发生之前的征兆。如果我们能够找 2 第一章绪论 到事故发生的规律，那就能防患于未然。 几千年以来，人们对于天气的预报就经历了一个从必然王国向自由 王国前进的认识过程。以前人们常说“天有不测风云”，但随着人们对于 天气变化的深入研究并利用现代的科学技术，现在人们已经可以较为准 确地对于近期、中期和远期的天气做出较为准确的预报了，尤其是对于 近期天气预报的公众满意度已经达到了9 0 以上。这一方面是气象工作者 对广大人民群众长期以来积累的实践经验( 私有知识) 进行了归纳、总 结和提炼，找出了带有规律性的东西，如“燕子低飞蛇过道，大雨不久 就来道”，“云行东，车马通”，“有雨四方亮，无雨顶上光”等大量民谣， 另一方面是依靠先进的科学技术手段，如使用气象卫星和各种仪器和仪 表及传感器以获得各种风向、气压、温度和湿度等检测变量( 公有知识) 。 气象工作者把这两方面的知识综合起来，进行推理，做出预报，准确率 就高多了。同样的道理，任何事故的发生也总是有预兆的，是带有规律 性的，只要我们使用先进的科学方法与手段把人们长期以来在与各种事 故做斗争中积累起来的宝贵经验获取下来，加以总结、分析和提炼，从 中找出带有自身规律性的东西，再加上先进的科学技术手段来监控和测 试，就可以逐步地掌握各类事故发生的内在规律，捕捉到事故发生前的 征兆，逐步做到把事故准确地预报出来，争取将事故消灭在萌芽状态。 综观全球，当今世界上，包括美国和加拿大，对安全生产的保证， 其认识还停留在依靠建立各种安全规章制度和进行定期检查，如建立i s 0 1 8 0 0 0 的安全生产管理体制。然而这是不够的，必须发展科技手段，才能 实现安全生产。 从另外一方面来看，安全生产要依靠管理制度的建立和执行。同样 地，只有依靠科技手段的实施和保证，才能实现管理现代化。i s o18 0 0 0 管理体制的本质是：把安全生产的规章制度建立起来，按所建立的规章 制度去进行生产，在工作中不断改进i s 01 8 0 0 0 管理体制。实际情况是： 在许多获得了i s o1 8 0 0 0 证书的企业，往往看不到实际效益，其问题的 关键在于执行第二句话时出了问题：由于没有科技手段的保证，尽管已 经制定出了各种各样的安全生产规章制度，把这些规章制度抄写下来， 贴在生产现场操作室的墙上，压在操作台的玻璃板下，并强迫工人们背 会了。但在实际生产过程中，尤其是紧急事故状态时，工人们由于紧张、 疲劳、疏忽、或遗忘了，并没有按安全生产的规章制度去进行操作，从 丽导致了人为的安全事故。 在实施i s o9 0 0 0 时，若仅仅是建立了管理体系，写出了若干的管理 文件( 这些文件可能是纸的书面文档，也可能是电子文档) ，由于内容多， 3 华南理工大学硕士学位论文 表达方式呆板、枯燥，对实时生产而言用处不大。当我们将这些管理文 件制作成超媒体文档后，由于表现方式生动、查询方便，工人们乐意使 用，尤其在培训时效果很明显。引进了智能系统之后，出现了本质的区 别：将由智能系统( 计算机程序) 为工人查询，而前面所述的三种文档： 纸的文档、电子文档和超媒体文档，是由人去查询。由于查询内容准确、 速度快，智能超媒体文档在实时生产中有一定的用处。由于将管理的规 章制度和实际生产的实时状态紧密联系，并能为工人们提供专家指导和 实时决策支持，可在生产过程中产生了很好的效果。 1 1 3 基于知识获取的故障诊断和事故预报系统 目前，把计算机和自动化技术用于安全生产，这方面的工作是非常 少的。和生产过程方面的应用相比较，落后许多。基于以上的背景，研 究开发出智能化实时监控和事故预报防范系统，获取和积累对事故进行 预报的私有知识，逐步把事故预报出来，并将安全生产的管理制度用高 科技手段实现，才能把事故消灭在萌芽状态。 随着计算机和自动化技术的出现，人类社会在向更先进的社会前进， 然而在过去三十多年的发展中，每当引进更先进的计算机和自动化技术， 我们发现：人类操作人员和被管理、控制的生产过程之间的关系却出现 了不健康的状态，如表卜l 。 表卜l 关于人和生产过程的关系 产业阶段人和过程的关系 劳动密集直接联系 设备密集间接联系 信息密集被分立 知识密集把松弛了的人与过程的关系重新密切起来 在知识密集的产业阶段，我们要恢复人是主人公的地位，让计算机 和自动化技术更好地为操作人员服务。开发实时智能监控系统的一个主 要目的就是通过把人保持在控制环路中，开发使用软件传感器和实现人 类智慧与机器智慧的集成，把松弛了的人与过程的关系重新密切起来。 i 2 本论文的主要内容 本文主要讨论了基于知识获取的基于知识获取的蒸馏装置故障诊断 4 第一章绪论 和事故预报系统，提出了知识获取的工程管理方法，着重分析了系统知 识库部分案例的知识获取。并对整个系统的集成作了概述。各章节主要 内容如下： 第一章为绪论，为本文的引子，指出安全问题的重要性，如何对事 防范和预报。第二章介绍了数据、信息、知识和智能的关系，引入私有 知识和共有知识的概念，提出专家系统的开发步骤以及知识获取的工程 方法，将应用于后面介绍的蒸馏装置故障诊断和事故预报系统的知识获 取。第三章具体介绍了i n t e m o r 开发平台的结构，以及研究对象广州 石化的蒸馏一b 区的常压蒸馏部分的情况。第四章介绍了建立系统知识 库的情况以及各典型案例的分析。第五章介绍了系统各部分机构的具体 开发情况以及系统集成的运行记录。最后是结论。 华南理工大学硕士学位论文 第二章知识获取方法 2 1 数据、信息、知识和智能 社会发展的文明程度，是以采用何种类型的技术工具来划分的。采 用当今社会的先进技术工具，不仅为了提高生产效率，也成为了衡量一 个企业现代化程度的标志。比如，人类历史上对技术的划分形成了各个 不同历史阶段的特征，铁器时代，铜器时代，蒸汽机时代，电子时代， 等等，都是用技术手段来进行判断的。 把计算机作为使用的技术，用自动化来判断一下人类文明的历史程 度，可以把整个人类文明的历史划分为四个阶段，即劳动密集的产业阶 段，设备密集的产业阶段，信息密集的产业阶段和知识密集的产业阶段。 如表2 一l 所示。 表2 1 人类文明的四个历史阶段 产业阶段使用计算机和自动化的程度 劳动密集手工劳动，没计算机，无自动化 设备密集数据处理自动化 信息密集信息处理自动化 知识密集知识处理自动化 第一阶段称之为劳动密集的产业阶段。在这一阶段，不用计算机， 也没有自动化，人类生产主要依赖于简单的手工劳动，无自动化可吉， 这种状态在今天的社会生活中仍能见到。 我国工业的主体目前处于第二阶段，称之为设备密集型的产业阶段。 在这个阶段实现了计算机仪表化，即用计算机实现了数据( d a t a ) 处理 自动化。例如数值计算，仿真，使用计算机控制系统( 如o c s 、p l c 、s c a d a ) ， 都属于数据处理自动化的工作。从二十世纪6 0 年代到8 0 年代末，计算 机的发展主要处于这一阶段 现在我国工业的主体正在向第三阶段也就是向信息( i n f o r m a t i o n ) 密集的产业阶段迈进。在这一阶段，计算机将在数据处理自动化的基础 之上上升为信息处理自动化。从二十世纪8 0 年代到9 0 年代中期，计算 机的发展主要在这一阶段。使用因特网或数据库技术，是这一阶段信息 6 第二章知识获取方法 技术的主要特征。 人类文明历史的第四个阶段将是实现在数据处理自动化、信息处理 自动化基础之上的知识处理自动化。在这里，计算机的功能将上升成为 集成功能，这种集成与一般所指的计算机集成制造技术不同，它不仅仅 是信息流的集成。目前，我们正在向第四阶段迈进，即将在工业生产中 实现知识( k n o w l e d g e ) 处理自动化。 在上述讨论中我们可以看到，用计算机和自动化来划分人类历史的 文明程度不是依据计算机硬件，而是软件。以任何一台计算机为例，我 们如果在上面用f o r t r a n 或c 语言编写程序，往往是在作数据处理；如 果把它装上数据库，它就可以用来处理数据信息：如果把它安装上因特 摩系统，它就可以用来处理知识。由此可见，计算机用来处理什么，构 成了人类文明的历史程度，这是由软件来划分的，而不是硬件。 计算机的发展历史，可由表2 2 所示： 表2 2 计算机发展历史一览表 阶段时间计算机与自动化技术 典型应用 第一代1 9 6 0 一至今数据处理自动化数值计算、控制 第二代1 9 8 5 一至今信息处理自动化因特网、数据库( m i s ) 第三代1 9 9 7 一至今知识处理自动化知识集成 基于上面的讨论，可以看到：人类文明历史的划分是与用计算机来 处理数据、信息和知识这些因素有关。那么，什么是数据、信息和知识 的定义呢? 从5 0 年代开始人们就一直在争论这个问题，尽管至今世界上还没能 得到一个令所有学科都赞同的关于数据，信息，知识和智能的统一定义， 然而饶明博士在9 0 年代初期提出的观点，已获得了较多人的赞同( r a o ， 1 9 9 2 ) 。饶明博士认为：数据是对客观物体的直接描述或测量( 例如工业 生产中来自传感器的测量变量) ；信息则是错综复杂的耦合数据之间的联 系；知识表达了结构化的信息之间的综合关系：而智能是获取知识和使 用知识的能力测度。饶明博士的这个定义，从目前来看是比较全面的， 而且得到了全球范围内大多数人们的赞同。 数据是对客观世界的直接描述，比如，来自传感器的温度、流量及 压力等等，这些都是数据。信息是相关数据之间的耦合关系，数据库技 术就是一个典型的特征。数据库技术是美国空军在1 9 6 6 年提出来的，当 7 华南理= 大学硕士学位论文 时的所取的名字不叫数据库，而是叫做“m e t a - d a t a ”，意为“关于数据 的数据”。可以看到，数据库罩面装的并不是数据，而是数据之间的联系。 知识是结构化的信息之间的耦合关系。智能不过是一种获取和利用知识 的能力的测度。不同于数据、信息和知识，智能是不能被处理的。 2 2 知识的两重性：公有知识，私有知识 知识具有两重性即公有知识和私有知识。下面看看公有知识与私有 知识的区别。公有知识是可以通过公有的传递媒介而获得的知识，例如 看书及听课等就能学到的知识。我们在幼儿园，小学，中学和大学里所 学到的知识基本上都是公有知识。那么什么是私有知识呢? 私有知识包 括经实践所获取和积累的经验、灵感、个人的形象及联系渠道等等，这 些因人而异的东西我们都把它称作私有知识。私有知识的一个最明显的 特点就是为某个人所拥有。私有知识往往无法用算法来表示，因为人类 的思维活动并不是根据算法来运行的。在实际生活中，私有知识发挥着 巨大的作用。例如，在寻求工作时，求职者不可能只凭其在校学习期问 功课全“优”而获聘，有无实践经验在这时则成了能否获聘的关键因素。 能否顺利地找到工作，人们所看重的是求职者有没有这方面的经验，即 求职者的私有知识。也就是说即使有哈佛大学的博士学位也不一定能找 到理想的工作。但是若求职者是从一个不太知名的学校里毕业的，但曾 在某个公司里工作过几个月，有使用过某种设备的经验，就可能获得工 作。我们可以看到，在今后的知识经济时代，资本不再是决定因素，起 决定因素的将是知识，尤其是私有知识，企业间的竞争最终表现为对私 有知识的占有和利用程度。拥有私有知识的这些人，我们称之为专家， 既莽不起，也养不住。比如一个工程师，刚进厂时只有三个月的经验； 当他在这个企业里工作了三十年，累积了丰富的经验，这些经验是归他 个人所有的，一旦他辞岗、离岗、退岗、下岗，这些宝贵的经验也就随 之流失了。 有关公有知识和私有知识的区别还有一些形象的比喻，例如学骑自 行车，某人如果看了一本教怎么骑自行车的书就会骑了，那几乎是不可 能的。他还需要在练习过程中摔几跤，找一找那个感觉，有了这些经验， 他才会骑自行车。所以说，公有知识是属于老师的，属于书本作者的， 只有通过实践将公有知识转变成私有知识，知识才能为个人所拥有。在 人类历史五千年的长河中，非常遗憾，没有系统化的技术对私有知识进 8 第二章知识获取方法 行获取，从而把宝贵的私有知识获取下来，供人们去利用。 如何有效的获取、处理、使用和积累私有知识，将成为各类企业及 组织的在知识经济时代的头等大事。从长期的工业应用研究中可以看到， 充分有效的获取及使用知识，尤其是私有知识，用知识管理信息，用信 息管理数据并通过数据控制生产过程，是十分有效的( r a o ，19 95 ) 。 然而，对我国企业而言，缺乏技术和人才是最主要的压力。解决办 法：有效地获取、处理、使用并积累人类专家的宝贵的私有知识。人工 智能中的专家系统是获取并组织人类专家私有知识的主要技术手段。 2 3 专家系统 2 3 1 人工智能与专家系统 知识处理的主要理论来自于“人工智能”( a r t i f ic i a l ir l t e l l i g e n c e ) ，这是一个非常具有诱人前景的学科，其目的在于研究如 何了解及模仿人类解决问题的能力。多年来，由于有悖于宗教伦理，该 学科的发展遭遇了巨大的社会压力，又由于该学科名称的误导( “人工智 能”一词出现于1 9 5 6 年，台湾的学者翻译为“人造智慧”) ，导致了许 多初学者误入歧途，试图将人类智慧用计算机制造出来。有“人工智能 之父”尊称的赫尔贝特西门( h il b e r ts i m o n ) 教授及埃伦纽瓦尔 ( a l l a nn e w e l l ) 教授当年曾提议称这门学科为“解决复杂信息问题的系 统”( c o m p l e xi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m ) ，但令人遗憾的是，这 一看来更为理想的名称被另外几位参加讨论的学者否定了，理由是这个 名称没有挑战性，不够刺激，另外也嫌名称过长。过去的毕竟已经成为 历史。今天，我们不再试图去创造一个新的学科名称，我们更为关心的 是如何去发展和完善这个学科的内涵及其应用。 专家系统是获取并组织人类专家私有知识的主要技术手段。人类的 思考并非是基于数理和逻辑的，专家系统主要是用来处理这些非算法非 程序化的不良结构问题，提供语言符号推理的功能。分析问题的方法， 可分为定性分析和定量分析。在计算过程中，定性分析主要是用语言符 号推理( s y m b o l ic r e a s o n i n g ) 来实现；而定量分析则往往用数字计算 ( n u m e r i cc o m p u t in g ) 来完成。人类在进行思维和决策时，以应用定性 分析方法为主，应用定量分析方法为辅。 专家系统是一个有古老历史的新型学科，对其系统性的研究和应用， 可回溯到上一个世纪五十年代。最初，人们曾希望建立一种通用的系统 9 华南理t 大学硕士学位论文 来解决所有的问题，尽管通用问题求解系统( g e t i e r a lp r o b le ms o lv i n g s y s t e m ) 的研究及开发失败了，但基于其结果产生的下棋对弈系统却很 成功。随着人工智能研究工作的深化，人们逐渐认识到，每一个实际问 题都有其独特的性质，对其求解时，必须使用专门的方法。因此，我t 1 可以给出如此的定义：专家系统是用特殊的编程方法所编制的特殊软件， 用于求解某一特殊领域的特殊问题。专家应该是“钻牛角尖”的人。专 家系统的构成包含四个主要部分：推理机( i n f e r er l c ee n g in e ) ，知识库 ( k r l o w l e d g eb a s e ) ，数据库( d a t a b a s e ) 和接口( m a r l m a c h i n ei n t e r f a c e ： 人一机接口和m a e h i n e m a c h in ei n t e r f a c e ：机器一机器接口) 。 开展专家系统的科研及应用工作最困难的莫过于专家知识的发现及 获取。从过去对专家系统的研究及应用中可发现：在开发专家系统时， 由于对专家知识进行了系统化的采样、分析、总结和整理，专家知识的 转移( 从专家的大脑转移到计算机软件程序中) 往往伴随着新的专家知 识的产生。在2 0 世纪8 0 年代，专家系统的研制曾风靡一时，但成功的 却不多。其主要原因为：( 1 ) 发现、获取、检验、更新专家知识的困难； ( 2 ) 当时的计算机技术手段不能满足需要；( 3 ) 没有获取专家知识以及 对专家知识进行采样和组织，并把公有知识和私有知识有效地结合起来 的方法；( 4 ) 由于对人工智能和专家系统理解浅薄却又过于迷信，选择求 解的问题不合适( 要么是杀鸡用牛刀，要么是杀牛用鸡刀) 。对如何选择 适合于专家系统求解的问题，可见图2 1 ( z u r c h e r ，1 9 9 8 ) ”3 。 由图2 1 可看出用专家系统求解问题的代价是随着问题难易程度而 变化的。求解简单的问题，将看不到使用专家系统的经济效益；然而， 太复杂的问题专家系统的方法可能又解决不了。合理而且科学地选择专 家系统的应用问题，始终是第一步而且是最关键的一步。 嘲 土麟 蜘 图2 1 专家系统求解示意图( z u r c h e r ，1 9 9 8 ) 今后的企业竞争是知识的竞争，并将集中表现为对私有知识的占有 第二章知识获取方法 和利用的竞争。专家系统及其相应的使用方法论是获取和使用私有知识 的主要技术手段( 由于技术独特，拥有专家系统的开发工具，仅仅像拥 有武器一样，没有与之相应的武艺，即如何正确使用专家系统的方法论， 是不能发挥专家系统的功效和作用的) ，由此可见，在当今全球化的经济 发展中，迫切需要实用的专家系统及其相应的方法论。 专家系统从本质上讲就是用某种特定的语言环境所编写的一种特殊 的计算机程序，针对具体的问题，该程序能够模拟人类领域专家求解问 题时的推理过程，以解决实际问题。简单说，专家系统是经特别设计的 计算机程序，用来复制应用领域专家的推理和决策过程。 专家系统具有数据库、知识库、推理机和人一机接口。知识库里储 存着用特定的计算机编程语言所编写的专家知识，这些专家知识通常用 产生式规则进行表达；当实时数据进入到专家系统之后，推理机将自动 的对系统的规则和数据库里的数据进行推理，一旦某条( 或某几条) 规 则与某些数据相匹配，相应的结论就会被推导出来，提供给用户，作为 指导建议或参考意见。 2 3 2 开发专家系统的步骤 开发专家系统的基本步骤如下； 第一阶段( i d e n t i f ic a t i o n ) ：对问题进行定义，即确定问题的基本 特征和用户需求，充分了解所需求解的问题及其属性，对问题进行分类， 确定所需的专家知识及其来源，组织好含作者，准备好所需的各种资源 和设备，进行成本一效益分析，反复探讨使用专家系统是否是正确和必 要的。 第二阶段( c o n c e p t h a l iz a t i o n ) ：把问题求解的目标和需求转化为概 念，进一步分解问题，获取知识，寻找表达专业知识的概念，分析输入 与输出关系。建立知识获取和组织知识框架的文档资料。 第三阶段( f o r m a l iz a t i o n ) ：把所获得的概念形式化，对知识进行分 析，设计出组织知识的数据结构，寻找出有效表达知识的知识库结构， 设计人一机接口和机器机器接口，建立详细的形式说明。 第暇阶段( i m p l e m e n t a t i o n ) ：使用专家系统开发工具，把知识转变 为表达框架，经过编程，把知识结构转变为计算机软件程序，利用开发 出的原型系统来获取专家的反馈意见和评价，建立专家系统的提示对话 和解释，建立用户使用手册，组织用户培训。 第血阶段( m o d i f i c a t io n a n d e v a lu a t i o n ) ：保证开发的专家系统能 满足系统的需求，调试人一机接口和机器一机器接口，调试家系统的提 示对话、解释及用户使用手册，最终要用最复杂的问题来测试所开发的 华南理工大学硕士学位论文 专家系统，不断调试及修改，直到开发出可应用的专家系统。 2 4 知识获取 拥有知识是专家系统有别于其他计算机软件系统的重要标志，而知识 的质量和数量又是决定专家系统性能的关键因素。知识获取就是要解决 如何使专家系统获得高质量的知识。 知识获取是一个与领域专家、知识工程师以及专家系统自身都密切 相关的复杂问题，由于各方面的原因，至今仍然是一件相当困难的工作， 被公认是专家系统建造中的一个“瓶颈”问题。虽然已有许多人工智能 学者在开展这方面的研究工作，希望实现知识的自动获取，即由建造的 专家系统自动完成知识的获取，并且也取得了一些成果，但距离知识的 完全自动获取还相距甚远，还需要解决许多理论及技术上的困难问题。 目前，知识获取通常是由知识工程师与专家系统中的知识获取模块共同 完成的，知识工程师负责通过领域专家抽取知识，并用适当的知识表示 方式把知识表示出来。专家系统中的知识获取模块负责把知识转换为计 算机可存储的内部形式，把它们存入知识库。在知识存储的过程中，要 对知识进行一致性、完整性的检测。 饶明教授总结了知识获取和组织方面的经验，在1 9 8 8 年提出了智能 工程的概念。下表2 3 比较了智能工程师和知识工程师的区别。 表2 3 智能工程师和知识工程师的比较 智能工程师知识工程师 教育背景应用领域工程师计算机科学家 方法论面向问题面向解答 ( p r o b l e m o r i e n t e d ) ( s o l u t i o i l o r i e l l t e d ) 智能工程师或知识工程师所获取的应用领域的专家的知识是专家系 统执行推理的前提。知识获取是专家系统成功与否的关键环节。 知识库是专家系统的核心，它的开发是和具体的应用领域紧密相关 的。多年来，专家系统不能成功应用到生产实践中，其重要的原因就是 知识库开发人员对具体的工艺过程不熟悉。因此，确定橱能工程师的资 格是专家系统开发的首要问题。 智能工程师必须对相关的应用领域十分熟悉，甚至是该领域的专家。 1 2 第二章知识获取方法 以炼油厂为例，智能工程师必须具有一定的理论背景和多年的炼油厂实 践经验。此外，智能工程师还应该能正确选取合适的应用问题，具有优 秀的人际交往能力，会使用专家系统的技术和开发工具，熟悉知识表达 的各种方法，懂认知心理学或人类因素工程的基本概念。在获取专家知 识时，专家知识存在并能获得专家的支持和密切配合是专家系统开发成 功的基本保证。然而，许多应用领域的专家并不了解专家系统的基本理 论，因此，有必要提出一种系统的知识获取方法。 2 4 1 知识获取方法 1 获取资料尽管智能工程师具有应用领域的基本知识，但是，鉴于 应用对象的千差万别，专家知识的获取难度还是较大。在项目开展的初 期，应当向厂方尽量索取必需的资料，这是研究具体对象的特点的有效 途径，也是知识获取的首要步骤。 以炼油厂为例，建议索取以下资料： 炼油厂的操作手册； 设备生产厂家提供的设备操作和维修手册； d c s 手册。智能监控系统接受来自d c s 的实时变量，利用i ) c s 数 据和内嵌的专家系统来预报和分析事故，因此，了解d c s 数据变 量及其现场测量位置是十分重要的； 设备的每目运行记录； 设备的事故记录： 其它相关资料。 资料索取表格见表2 4 。 2 核准资料设备资料所体现的为同类设备的共性，并不反映具体设 备的个性。因此，有必要结合设备的具体情况去研究资料及核准资料， 以确保获得设备的第一手可靠资料。下面以d c s 为例来说明资料核准的 重要性。 关于d c s 系统所能采集到的实时数据，即使同类d c s 系统也可能有 很大的差异。例如，某炼油厂购自同一厂家，用于同样生产量锅炉的两 套d c s 系统，一套是两年前安装并投入使用的，共有5 0 0 多个数据点： 另一套最近安装并投入使用的，却有1 0 0 0 多个数据点。此外，尽管有的 d c s 系统设计了数据采集点，但是由于种种原因，d c s 系统并没有取样， 或是尽管取样了却不能传递给因特摩系统，这种情况在工厂的实际运行 中，也是经常存在的。因此，只有依据手册，研究和核准资料并结合实 际情况，才能真正了解哪些具体的d c s 变量可以为因特摩系统所用，设 计出行之有效的专家系统。对象参数核准也可以表格的形式。 1 3 华南理工大学硕士学位论文 表2 4 资料索取表格 资料现状资料资料 有负责 借阅 人人 无 纸电子f 签f 签 日 序号资料名称版版字)字)期 l生产部门的操作手册 设备生产厂家提供的设备操 2作手册 3d c s ( p l c ) 手册 4 设备的每臼运行记录 5生产或设备的事故记录 6有关的安全规章制度 7其它资料 3 知识获取表格知识获取是一项工程，知识获取表格的示例如附录 所示3 ，我们把知识获取表格发给厂里的工艺工程师填写，力求按照标 准化的方法来获取知识。 2 4 2 专家知识获取 专家系统知识库包含若干类专家知识： 反映生产状态异常的专家知识。 反映报警或操作异常的专家知识。 反映故障的专家知识。 预报和处理事故的专家知识。 有的知识规则很简单，只有一、硬个判据。例如报警的规则，它反 映某个被测变量异常，超过了警戒值，其目的在于提醒操作人员进行手 动干预。有的规则却很复杂，往往有多个复杂的判断，甚至带有计算过 程。如预报事故发生的规则往往属于这类型的复杂知识表达。 反映操作异常的规则多来自设备的公有知识( 如操作手册等) ，比较 容易获取。以下将具体研究如何获取预报事故方面的规则。 可以从四个途径了解设备可能发生的事故，获取相应的专家知识： 1 ) 从现场运行获取专家知识：通过同操作工人和技术人员交谈，查 询设备的每f i 运行记录，查询生产和设备的事故记录，获得对象事故的 1 4 第二章知识获取方法 基本知识，包括事故名称、事故的症状、对事故状态的观察、对事故原 因的分析、以及排除事故的手段和措施等。 2 ) 集成已有的专家知识：查阅有关文献资料，了解有关该领域的专 家知识开发现状。 3 ) 集成智能工程师的专家知识：智能工程师本身就具有该领域的基 础知识，容易理解专家知识也具有一定的专家知识。 4 ) 分析数据关系，进行相应的智能信息处理( 包括数据挖掘、神经 网络等方法) ，从中提取专家知识。或利用软测量技术预估关键状态与故 障征兆。 当从相关文献中所获得的专家知识、智能工程师的专家知识与从现 场运行所获取的专家知识发生冲突时，必须坚持以从现场运行获取专家 知识为主要的专家知识来源；当文献中的专家知识和智能工程师的专家 知识相冲突时，必须对该文献的专家知识做详细分析，并请教现场技术 人员。 当收集到专家知识后，必须填写专家知识获取表格，确定事故发生 的条件、事故症状以及事故导致酶后果，进一步确定事故的起因和处理 事故应采取的方法及手段。 最后，根据专家知识所提取的专家规则，必须经过现场技术人员的 进一步确认，直至无误，现场技术主管签字认可后，才可以输入专家系 统。 综上所述，知识获取的方法也是一套工程管理的方法。 2 5 本章小结 本章介绍了数据、信息、知识和智能的关系，它们之间的联系和区 别是饶明教授提出来的。引入私有知识和公有知识的概念，提出专家系 统的开发步骤以及知识获取的工程方法，知识获取有资料获取表格，资 料核准表格，知识获取表格等标准化的方法，将应用于后面介绍的蒸馏 装置故障诊断和事故预报系统的知识获取。 华南理工大学硕士学位论文 第三章系统介绍 3 1 因特摩智能监控和实时管理技术 因特摩实时在线智能监控和事故预报防范系统是中国一加拿大智能 控制工程联合研究中心研究开发的基于因特网技术的智能化实时监控和 事故预报系统。因特摩( i n t e m o r ) 是1 9 9 3 年提出来的，来自业l li g e n t m o n i t o r in go n 一1 in er e a 卜t i m es ys t e m ，意思是“实时在线的智能监控 系统”。 因特摩系统集成了因特网( i n t e r n e t ) 、通信、自动化、数据库，实时 数据处理技术，专家系统和超媒体等技术。它能将图、文、声、像结合 起来在因特网( i n t e r n c t ) 或内部网( i n t r a n e t ) 上实现智能管理及控制， 是企业实现智能监控、事故预报及防范、智能远程自动化、i s 0 9 0 0 0 总体 质量管理、智能远程医疗诊断、远距离教学、网上营销的有效工具。因 特摩系统是基于因特网的实时的集成分布式智能系统，能对生产过程和 设备进行智能监控及对事故进行预报和防范。其超媒体显示空间分别用 “公有知识显示窗口”、“私有知识显示窗口”和“实时