автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Разработка экспертной предметно-ориентированной оболочки для автоматизированной оценки состояния гидротехнических сооружений

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

С^ на правах рукописи

ИВАЩЕНКО Константин Ильич

УДК 681.3

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ ПРЕДМЕТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ОБОЛОЧКИ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность: 05.13.17 - теоретические основы информатики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Российском научно-исследовательском институте информационных технологий и систем автоматизированного проектирования (РОСНИИИТАП).

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, профессор

Попов Э.В.

✓

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор

*

Вольфенгаген В.Э. кандидат технических наук, доцент Малаханов В. В.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Вычислительный Центр Российской Академш

• Наук (ВЦ РАН)

Защита диссертации состоится "/£." ш-окя 1994 г. в Ё часов на заседании специализированного совета Д 064.48.01 в Российском научно-исследовательском институте информационных технологий и систем автоматизированного проектирования по адресу: 129090, Москва, улица Щепкина, дом 22, тел. 284-82-29.

С диссертацией можно ознакомиться в спец. совете РОСНИИИТАП.

Просим прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Автореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь

специализированного совета

доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Обеспечение безопасности функционирования сложных технических сооружений является важной народно-хозяйственной задачей. Один из-важнейших элементов обеспечения безопасности - автоматизированная система (АС) диагностики и оценки состояния. Создание таких систем требует больших временных и финансовых затрат для каждого сооружения. Разработка АС с использованием специализированных инструментальных средств (ИС), ориентированных на данный класс задач или группу однотипных технических сооружений, позволяет сократить сроки и снизить стоимость разработки АС, обеспечить единую основу для принятия решений за счет стандартизации процедуры оценки, повысить качество решения задач за счет возможности привлечения к созданию ИС наиболее квалифицированных специалистов по этим сооружениям и дальнейшему тиражированию их опыта в прикладных АС.

В данной работе решается задача создания АС оценки состояния для класса технических сооружений, характеризуемых следующим набором признаков: сооружения являются уникальными и многие особенности их работы выясняются в процессе эксплуатации; данные о состоянии поступают от датчиков, на основе визуальных наблюдений, а также в результате применения приближенных математических моде-, лей; при обработке данных требуется учитывать не только текущие, но и предыдущие значения контролируемых показателей на длительном (до нескольких лет) интервале времени; в процессе эксплуатации сооружений необходимо регулярно обрабатывать и длительно хранить большой объем количественных и качественных показателей состояния; применяемые методы обработки являются эвристическими и неточными; ошибки при оценке состояния сооружений могут приводить к значительным ущербам.

Типичным представителем рассматриваемого класса сооружений являются гидротехнические сооружения (ГС) типа каменно-земляных плотин. Плотина может быть как самостоятельным сооружением, так и частью гидроэнергетического комплекса. ГС этого типа широко распространены в странах СНГ и мира. Для каменно-земляных плотин характерны следующие признаки: большие объемы сооружения, высокая стоимость и длительные сроки строительства, многообразие причин аварий и повреждений и быстрое развитие процесса разрушения, необходимость высокой оперативности в оценке состояния, важность длительного и регулярного накопления данных мониторинга, большая

роль качественных показателей в оценке состояния сооружения.

Немногочисленные АС. имеющиеся на ГС нашей страны и мира, в основном используют простейшие методы контроля отдельных показателей состояния ГС по их критериальным значениям (КЗ). Такой подход не всегда позволяет своевременно выявлять аварийные ситуации. Необходима компетентная оценка состояния с использованием всей доступной количественной и качественной информации. Качественная оценка состояния ГС, прогноз поведения ГС. выработка мероприятий по приведению ГС в нормальное состояние делается ограниченным кругом высоко квалифицированных специалистов гидротехников. Формализация экспертной процедуры оценки состояния ГС и ее применение при разработке АС позволили бы повысить качество оценки состояния ГС и обеспечить тиражирование знаний специалистов.

Создание ИС для разработки АС для данного класса технических сооружений, имеющих важное народно-хозяйственное значение, является актуальной задачей, так как в странах СНГ построены десятки крупных ГС и они слабо оснащены средствами автоматизации контроля и оценки состояния. Применение АС позволяет резко повысить оперативность и объективность оценки состояния сооружений и на этой основе обеспечить необходимый уровень их надежности и безопасности. Задача оценки состояния ГС в полном объеме решается только экспертами, с привлечением неформализованных знаний. Поэтому ее решение не может базироваться только на методах традиционного программирования и требует создания интегрированного инструментального средства, объединяющего методы экспертных систем ОС) и традиционного программирования. Использование методов ЭС для формализации знаний специалистов позволяет повысить уровень интеллектуальной обработки данных о состоянии ГС. обеспечить единую методическую базу для оценки состояния ГС рассматриваемого типа, что обеспечит требуемое качество оценки состояния ГС.

Цель работы состоит в разработке интегрированной экспертной предметно-ориентированной оболочки (ЭПРО), предназначенной для создания систем автоматизированной оценки состояния ГС, программной реализации ЭПРО, исследовании ее свойств и характеристик на примере создания прикладной системы для конкретного ГС. Достижение этой цели позволит повысить качество оценки состояния ГС. сократить сроки разработки АС, обеспечить единую основу для принятия решений за счет стандартизации процедуры оценки. В диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи:

1) анализ задачи разработки ИС для создания АС оценки состояния ГС и выработка требований к ЭПРО;

2) создание модели ЭПРО, включающей: предметно-ориентированную базу знаний (БЗ); средства сбора информации; средства отображения информации; средства принятия решений; базу данных (БД);

3) формализация знаний экспертов по оценке состояния ГС и формирование предметно-ориентированной БЗ, разработка принципов и метода предметно-ориентированной обработки недоопределенностей для оценки состояния ГС;

4) на основе модели и формализма представления знаний разработка принципов и методов создания ЭПРО, обеспечивающей функционирование в едином комплексе компонентов создания экспертных систем. хранения больших объемов данных, реализации математических моделей, взаимодействия с системой сбора информации от датчиков, разработки и поддержания пользовательских интерфейсов;

5) реализация ЭПРО в виде самостоятельного и законченного программного продукта;

6) разработка методики создания прикладных АС для оценки состояния ГС на базе ЭПРО;

7) исследование технических характеристик ЭПРО на примере создания АС на Чарвакском гидроэнергетическом комплексе.

Методы исследования. Основой исследований, , выполненных в диссертационной работе, является системный подход, соединяющий методы инженерии знаний и методы решения задач классификации. В работе использовались: теория формальных систем, теория семантики языков программирования, теория баз данных.

Научная новизна диссертационной работы заключается в:

1) формулировке требований к ЭПРО;

2) разработке модели ЭПРО;

3) разработке метода формального представления и обработки знаний, формировании предметно-ориентированной БЗ. разработке предметно-ориентированного метода обработки недоопределенностей;

4) разработке принципов и методов создания ЭПРО.

Практическая значимость работы заключается в реализации ЭПРО

на IBM PC/AT 286 в виде законченного программного продукта, внедрении созданных программных средств в ИС для создания ЗС (оболочки ЭКСПЕРТИЗА, ЭКО, НЭКС), разработке методики создания АС оценки состояния ГС на базе ЭПРО. Созданные программные средства позволяют существенно сокращать сроки разработки прикладных АС оценки

состояния сложных технических сооружений, увеличивать надежность диагностики и повышать качество обследования сооружений, повышать эффективность эксплуатации за счет своевременного предотвращения аварийных ситуаций.

Достоверность положений, изложенных в диссертационной работе, подтверждается корректностью использования математического аппарата, результатами исследования разработанных формальных моделей и созданных на их основе методов на ЭВМ при разработке архитектуры и программной реализации ЭПРО. Адекватность-реализации заявленным требованиям подтверждается результатами экспериментальной проверки технических характеристик ЭПРО. проведенной при создании АС на Чарвакском гидроэнергетическом комплексе и результатами практического внедрения разработанных программных средств в ИС для создания ЭС.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы в виде экспертной предметно-ориентированной оболочки использованы при создании автоматизированной системы диагностического контроля (АСШ сооружений Чарвакской ГЭС. Это позволило автоматизировать процедуру не только контроля, но и диагностики, обеспечить требуемое качество и повысить оперативность оценки состояния сооружения, сократить трудозатраты на разработку АСДК.

Апробация работы.

Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались на: Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития вычислительной техники", Москва, 1988; семинаре "Технология проектирования интеллектуальных систем", Москва, МДНТП, 1990; семинаре "Экспертные системы", Москва,МДНТП, 1990; VI Всесоюзной научно-технической школе "Интеллектуальные банки данных", Бакуриани, 1990; II Всесоюзной конференции по искусственному интеллекту, Минск, 1990; семинаре "Системы управления базами знаний", Москва,МДНТП, 1990; семинаре "Экспертные системы", Москва, ЦРДЗ, 1992; международной конференции ЮНЕСКО "Математика, компьютер, управление и инвестиции", Москва, 1993.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 15 научных работах [1-15].

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Основной текст включает 114 машинописных страниц, 17 рисунков. 3 таблицы. Список литературы включает 91 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, дана общая характеристика работа.

В первой главе исследована задача разработки экспертной предметно-ориентированной оболочки для автоматизированной оценки состояния ГС: проведен анализ задачи создания АС для оценки состояния ГС; выработаны требования к инструментальному • средству, предназначенному для создания АС на ГС: проанализированы существующие инструментальные средства для разработки АС оценки состояния ГС. Поставлена задача создания ЭПРО.

Задача создания АС для оценки состояния ГС является сложной и характеризуется следующими факторами: особенности работа конкретного ГС и критерии безопасности не могут быть предсказаны достаточно точно при проектировании, изменяются и подлежат уточнению в процессе многолетней эксплуатации; необходим оперативный анализ значительного объема исходной информации; требуется, на основе знаний экспертов гидротехников, объединение данных из разных источников (визуальных наблюдений (ВИЗ) за состоянием ГС; инструментальных наблюдений по сети контрольно-измерительной аппаратуры (КИА); результатов расчетов по математической модели ГС и его структурных элементов(СЧТ)); исходные данные, характеризующие состояние ГС, неполны и недостоверны, а применяемые методы оценки состояния ГС являются эвристическими, неточными; слабая оснащенность КИА многих ГС (особенно мелких и средних) в нашей стране заставляет определять состояние ГС на основе экспертных оценок и ВИЗ; разнообразны и постоянно совершенствуются технологии сбора и передачи, алгоритмы обработки и анализа информации о состоянии ГС; значительны размеры ущерба, возможного в случае неправильной или несвоевременной оценки состояния ГС.

В главе проведен анализ имеющихся на ГС автоматизированных систем и дана их классификация с точки зрения выполняемых функций: автоматическая фиксация результатов измерений; непрерывный мониторинг; интерпретация данных с использованием математических моделей в нормальных условиях функционирования ГС и при исключительных событиях; периодическая диагностика состояния ГС по ограниченному числу важнейших параметров; эпизодическая

комплексная проверка состояния ГС с помощью экспертов, оценивающих условия функционирования ГС и его основных структурных элементов и определяющих дальнейший порядок наблюдения за ГС; непрерывное слежение за состоянием ГС с включением по необходимости комплексной проверки этого состояния и процедур по приведению ГС в нормальное состояние. Анализ имеющихся систем оценки состояния ГС показал, что в настоящее время в мире и в странах СНГ имеются только простейшие АС, обеспечивающие диагностику на основе сопоставления отдельных показателей состояния с их критериальными значениями и использующие не более 20-30% доступной информации. Стоит задача более полного использования собираемых данных о состоянии ГС и повышении уровня интеллектуальной обработки этих данных.

Сформулированы требования к ИС. Создаваемое ИС должно обеспечивать: 1) настраиваемость и адаптируемость при решении типовой задачи оценки состояния ГС; 2) объединение на основе экспертных знаний разных методов обработки данных, характеризующих состояние ГС : расчетных теоретических моделей ГС; качественных оценок ГС по результатам ВИЗ; приближенных оценок контролируемых показателей состояния, получаемых по системе КИА; 3) работу в условиях неполноты и недостаточной определенности данных о состоянии ГС; 4) работу с аппаратными и программными средствами стыковки с сетью КИА - автоматизированный сбор и первичная обработка информации с датчиков, предоставление программных средств управления сетью КИА, контроля ошибок и преобразования форматов; 5) автоматизированное хранение и обработку большого объема исходных данных о состоянии ГС; 6) средства разработки и поддержания пользовательских интерфейсов - графическую поддержку процесса визуального обследования ГС, создание рабочего места персонала, контроль состояния персонала; 7) работу на массовых и недорогих ЭВМ, что означает "экономную" по ресурсам программную реализацию ИС.

Показано, что ни одно из существующих в настоящее время ИС не отвечает требованиям в полной мере. Обосновано, что ИС должно быть интегрированной оболочкой, объединяющей методы ЭС и традиционного программирования и включающей в себя предметно-ориентированную БЗ, математические модели, систему инструментального мониторинга. средства создания человеко-машинных интерфейсов, БД.

Во второй главе: разработан метод формального представления и обработки знаний для задачи оценки состояния ГС; разработаны принципы и метод предметно-ориентированной обработки недоопреде-

_ д -

ленностей для задачи оценки состояния ГС; предложена модель ЭПРО.

Проведенный средствами теории классификации анализ задачи позволил выделить основные понятия -и связи, имеющиеся между понятиями и возникающие в ходе создания АС для оценки состояния ГС. Выделено четыре класса понятий,- предельные состояния, структурные элементы ГС, методы контроля и оценку, контролируемые показатели состоядая. Установлена структура каждого класса. Проведенный анализ связей между классами, внутри классов и возникающих в процессе создания АС для оценки состояния ГС позволил выделить пять видов связей: плохо формализованные связи; структурные связи между контролируемыми показателями состояния; связи, описываемые готовыми математическими моделями; связи, возникающие в процессе предварительной обработки данных КИА; связи, отражающие отношения людей, создающих и эксплуатирующих АС.

С учетом требований к ЭПРО и анализа выявленных связей предложена модель ЭПРО в виде шестерки <Е, Б, I. М, К, и>, где Е -представляет экспертные знания по решению задачи оценки состояния ГС; 0 - представляет структурные связи между контролируемыми показателями состояния ГС; I - представляет "человеческие" связи между понятиями и действия по решению задачи, требующие участия человека; М - представляет формализованные математические отношения и связи; К - представляет алгоритмические связи между исходными данными; и - предназначен для реализации функций управления ЭПРО на основе метазнаний о порядке работы и взаимодействия друг с другом компонентов Е. Б. I, М, К.

Установлено, что одна из важнейших особенностей задачи оценки состояния ГС - присущая всем понятиям, связям и исходным данным недоопределенность. Для решаемой задачи характерны неполнота и неточность. Это относится как к данным, получаемым по системе КИА. так и к данным ВИЗ. Многочисленные методы обработки недоопре-деленности разделяют на количественные и качественные. С точки зрения важнейших для решаемой задачи, признаков проанализированы следующие методы : 1) количественные - на основе теории подтверждений; модели эмпирического характера на основе эвристического использования формулы Байеса; на основе теории функций доверия Шафера и правила Демпстера; модели на базе причинно-следственных сетей с использованием теории вероятностей или теории Демпстера-Шафера; модели на базе теории возможностей; 2) качественные - на основе использования различных моделей мо-

дальной логики; эвристические подходы. Анализ показал, что наиб лее подходящими для задачи оценки состояния ГС являются два кол чесгвенных метода: на базе теории возможностей, который удовле воряет практически всем выделенным признакам. и теор подтверждений, которая хотя и не является строго теоретичес обоснованной, но зарекомендовала себя во многих технических пр: ложениях. Эти два метода взяты за основу при разработке предме но-ориентированного метода, обеспечивающего совместное использ вание количественных и качественных показателей состояния ГС. М •тод представляется М = <1, Р. Г, К, и>, где I - обобщенный пок затель индекса повреждения, Р - качественная переменная "повре: дение", Р - функции соответствия, К - коэффициент ослабления, и формула объединения показателей. Обобщенный показатель индею повреждения вычисляется по формуле „ „

1 =§а1 ^(1

где: 1£ - индекс повреждения 1-го элемента структуры -понятий Л вычисляемый по формулам вида (1) , либо определяемый на осно] экспертных оценок; а; - коэффициент, определяющий относительну] значимость 1-го элемента с точки зрения его влияния на степе] повреждения элемента, расположенного на более высоком уров] структуры, или влияние 1-го структурного элемента на безопасное ГС в целом. I используется для понятий нижнего уровня, соответс вующих контролируемым показателям состояния. Значениями переме) ной "повреждение" являются качественные характеристики степе] повреждения ГС и его элементов: незначительное , слабое, средне1 сильное и недопустимое. Для их обработки использованы формулы Т( ории возможностей Заде:

МАПа (X) = Ш1П (Мд (X). Мв (X)) (2:

М/шв (*) = шах (Мд (х), Ма (х)) (З:

Функции соответствия связывают качественную переменную "по! реждение" и числовой показатель I. В работе использовано функций соответствия, определенных прямыми методами на осно1 анализа экспертной информации. Коэффициент ослабления используе' ся для представления недостатка информации. Он пропорционал! числу известных характеристик, влияющих на состояние оцениваемо] элемента ГС. Объединение показателей при нескольких способах го лучения результата определяется выражением п

м ЫАГ 1 - П И - МА.] (4!

В третьей главе разработаны принципы и методы создания ЭПРО, удовлетворяющие всем требованиям к ЭПРО как ИС для создания АС оценки состояния технических сооружений.

В соответствии с разработанной в главе 2 моделью, ЭПРО состоит из следующих компонентов: создания экспертных систем; хранения больших объемов данных; реализации математических моделей; компонент работы с системой КИА; разработки и поддержания пользовательских интерфейсов.

.Компонент создания экспертных систем, являющийся ядром системы, реализует функции: настройки предметно-ориентированной БЗ и базовых компонентов ЭПРО для создания ЭС; реализации моделей поведения ГС, методов анализа изменения поведения ГС и выявления тенденций в развитии происходящих на ГС процессов, методов прогноза поведения ГС; обеспечения работы одновременно с количественными и качественными моделями ГС, с интеграцией на основе экспертных знаний информации, поступающей от разных источников (КИА, ВИЗ, СЧТ); обеспечения методов работы с неполными и недостоверными данными о состоянии ГС; поддержки предметно-ориентированных механизмов объяснения полученных в ходе оценки состояния ГС результатов; обеспечения пользователя контекстно-зависимой помощью. средствами обоснования получаемых решений и выдачи рекомендаций персоналу по приведению ГС в нормальное состояние; создания предметно-ориентированного интерфейса с пользователем ЭС. Предметно-ориентированная БЗ состоит из объектов, правил, сценариев, рекомендаций персоналу, коэффициентов для метода обработки недоопределенности. Объекты БЗ объединены в иерархию. В БЗ представлены правила следующих типов: предметные; вычислительные; расчетные; корректирующие; управляющие; объяснительные; настройки БЗ; интерпретации диагноза. Компонент обеспечивает оценку состояния ГС в режимах оперативного контроля и обследования. В режиме обследования на основе данных КИА, ВИЗ, СЧТ выясняются причины превышения диагностическими параметрами (ДП) их КЗ. В режиме оперативного контроля сбор информации ведется с заданным временным интервалом по ограниченному числу ДП. В случае превышения контролируемыми ДП их КЗ осуществляется автоматизированная оценка состояния ГС в два этапа: укрупненная оценка состояния и определение необходимости срочных мер по обеспечению безопасности; выяснение причин превышения ДП их КЗ в режиме обследования.

Компонент хранения больших объемов данных реализует функции:

автоматизированного хранения в компактном виде данных о состоянии ГС; генерации отчетов; статистической обработки данных; фиксации и анализа изменений поведения ГС, выявления тенденций в развитии происходящих в ГС процессов на уровне мониторинга; графической интерпретации статистики по конкретному ГС.

Компонент реализации математических моделей выполняет функции.: уточнения критериальных значений контролируемых показателей состояния ГС; анализа изменений поведения ГС на основе регрессионной модели; определения реакции ГС и его отдельных элементов на внешние воздействия (сильный паводок, землетрясение); прогноза поведения ГС в будущем.

Компонент работы с системой КИА реализует функции: автоматизированного сбора информации от датчиков по сети КИА; стыковки сети КИА с ПЭВМ; управления сетью КИА и контроля ошибок на программном уровне; преобразования показаний датчиков в измеряемые физические величины по математическим формулам; предварительной обработки данных и обеспечения простейших контрольных функций.

Компонент разработки и поддержания пользовательских интерфейсов реализует функции: организации взаимодействия других компонентов ЭПРО с внешним окружением и конечным пользователем; организации рабочего места персонала для разных категорий пользователей (оператор, технолог, эксперт) и разных стадий функционирования (создание, отладка, использование) прикладной АС; создания средств контроля состояния персонала.

В четвертой главе описана реализация ЭПРО на IBM PC/AT 286 в виде самостоятельного и законченного программного продукта, рассмотрена методика создания на базе ЭПРО прикладных систем, исследованы технические характеристики ЭПРО на примере создания АСДК на крупном ГС - Чарвакском гидроэнергетическом комплексе в Узбекистане.

ЭПРО реализована на IBM PC/AT 286 в виде самостоятельного программного продукта. На рис.1, представлены программные средства, реализующие ЭПРО, и характеристики созданного программного обеспечения. В среде инструментального комплекса для создания ЭС ЭКО реализован компонент создания ЭС. БЗ состоит из 53 моделей (в том числе 30 моделей объяснений), объединяющих более 8000 правил, сценариев, рекомендаций персоналу. Компонент разработки и поддержания пользовательских интерфейсов реализован на базовом языке специализированного интерфейса через набор сценариев (основных -

ПЭВМ IBM PC/AT 286. EGA. 640 Кб. 20Мб

Разработка и поддержание пользовательских интерфейсов базовый объектно-ориентированныи язык и утилиты

Создание ЭС

Про БЗ модели правила сценарии рекомендации функции

500

создание коррекция БЗ

ЭКО

ЯПЗ

Приобретение знаний

Интерфейс графический диалоговый информационный

¡снения

Шм

Интерпретатор Гипертекст

настройка БЗ и генерация прикладной ЭС

Хранение больших объемов данных Dbase 3 Borland С

База данных

КИА

ВИЗ

справочная информация

коэффициенты для программ КИА

коэффициенты СЧТ и КЗ

графическая интерпретация и визуализация

настройка

создание КТ

защита данных

контроль целостности

Сценарии

построение диаг эамм

1Л0В ь,

графическая интерпретация

контекстная помощь

диалоговое взаимодействие

контроль состояния и действии персонала

Рис.1. Программные средства и характеристики реализации ЭПРО

15). в многооконной среде обеспечивающих создание рабочих мест персонала ГС в разных режимах функционирования прикладной системы. Компонент хранения больших объемов данных реализован средствами Dbase3 и Си (объем программ - 45 Кб). Собственно БД состоит из пяти групп файлов: инструментальных наблюдений с разбивкой по типам датчиков; визуальных наблюдений; справочной информации; коэффициентов для программ реализации математических моделей и КЗ; коэффициентов программ•предварительной обработки КИА и преобразования форматов. Графическая интерпретация и визуализация содержимого БД оформлены средствами специализированного интерфейса. Компонент работы с системой КИА включает реализованные на Си программы преобразования форматов, предварительной обработки данных и программного контроля данных (объем программ - 37 Кб). Стыковка сети КИА и ПЭВМ реализована через плату сопряжения, конструктивно подсоединяемую к последовательному порту и поддерживающую интерфейс RS-232. Компонент реализации математических моделей включает программы регрессионного анализа, расчета динамических воздействий, контроля КЗ. Они реализована на Си, а взаимодействие с другими компонентами ЭПРО осуществляется через файлы БД. Разработанное ЗПРО рассчитано на работу в следующей конфигурации: ПЭВМ типа IBM PC/AT 286, EGA, память 640 Кб, винчестер не менее 20Мб, 2 последовательных порта и один параллельный, контроллер на базе IBM PC/XT, коммутаторы типа ККАСКСЭО и периодомер цифровой стационарный типа ПЦС выпуска ПО "Энергоавтоматика".

Методика создания прикладных систем на базе ЭПРО состоит из следующих 5 этапов: обследование ГС; определение архитектуры создаваемой прикладной системы; настройка и конфигурирование компонентов ЭПРО; проверка работоспособности и тестирование; определение порядка и генерация процедур сопровождения функционирующей системы. Генерация прикладной системы делается путем настройки и конфигурирования компонентов ЭПРО, осуществляется блоком настройки и оформлена в виде диалоговой процедуры средствами специализированного интерфейса. Содержание этапов приведено в таблице 1. Разработанная методика рассчитана на выполнение ответственным персоналом ГС совместно с инженером по знаниям, позволяет создавать АС на ГС с различным уровнем и структурой КИА.

Экспериментальная проверка разработанных методов, алгоритмов, программных средств, методики проведена при создании АСДК на Чарвакском гидроузле. Гидроузел построен в зоне высокой сейсми-

Таблица 1. Методика создания АС на базе ЭПРО

Обследование ГС Специалисты гидротехники заполняют диагностические карты: параметры ГС, оснащенность КИА, структура ГС.

Определение архитектуры Разработчик системы анализирует диагностические карты, определяет необходимые компоненты и их связи в рамках базовой архитектуры ЭПРО. Учитываются факторы: параметры ГС; квалификация персонала; оснащенность ГС КИА. ее состояние,тип устройств сопряжения; наличие службы ВИЗ; требования дирекции ГС; вычислительная техника.

Настройка и конфигурирование компонентов ЭПРО Формирование программной среды. Установка ЭКО. Копирование программного обеспечения. Создание необходимых директории и рабочих структур. Хранение больших объемов данных. Типовая структура БД заполняется персоналом ГС. Для блока визуализации задаются имена файлов БД, перечень графиков, имена директорий с разрезами. Работа с системой КИА. Устанавливается плата сопряжения. Задаются файлы с характеристиками датчиков, коэффициентами программ контроля. преобразования форматов, КЗ. Реализация математических моделей. С использованием БД идентифицируются параметры регрессионной модели и уточняются КЗ для КИА. Формируются файлы коэффициентов СЧТ и КЗ. Устанавливается программа расчета динамических воздействий. Создание пользовательского интерфейса. Формируется экранное представление и сервисные функции для рабочих мест персонала: параметры окон и меню; схема структурных элементов ГС; разрезы ГС, размещение КИА и пунктов ВИЗ. Создание ЭС. Настройка ПрО БЗ: коррекция моделей БЗ; задание коэффициентов правил и механизма объединения свидетельств. Актуализация моделей помощи, объяснений и визуализации.

Проверка работоспособности и тестирование Работа компонентов. Качество заполнения БД - через тестовые графики для времени, УВБ, температуры для характерных датчиков. Проверка ЭС делается средствами компонента объяснений в режиме обследования. Работа математических моделей проверяется на контрольных примерах и построением теоретических зависимостей. Работа с системой КИА проверяется при обследовании ГС по результатам заполнения БД, диагностике состояния ГС по КЗ и содержимому файлов для ЭС. Созданные экранные представления рабочих мест проверяются запуском всех предусмотренных режимов и меню. Работа системы в целом. Проверяется в режиме обследования, предусматривает запуск всех режимов и включает этапы: предварительная оценка состояния ГС с выдачей результатов работы КИА; формирование отчета по БД; построение тестовых графиков; оценка состояния ГС с использованием ЭС; проверка всех диалогов с персоналом и работа средств помощи.

Определение порядка сопровождения эксплуатируемой АС Определяется специалистами гидротехниками и персоналом. Обязательно включает в себя: регулярное тестирование работы и проверка работоспособности АС с протоколированием результатов; регулярные контакты с разработчиками системы, особенно в случае изменения конфигурации.

ческой активности. Плотина обеспечивает создание водохранилища объемом около 2 миллиардов кубических метров и работу ГЭС мощностью 600 МВт. Чарвакский гидроузел детально оснащен современной КИА. Обследование ГС и генерация прикладной системы проведены в соответствии с методикой.

АСДК состоит из центрального блока управления, блока создания рабочего места персонала, системы аварийного оповещения, систем статических и сейсмометрических измерений, включающих несколько сотен измерительных преобразователей (датчиков) .• Оснащение ГС соответствующими измерительными преобразователями и их коммутация на центральном пульте осуществлены в период строительства и последующей эксплуатации. Программные и технические средства АСДК обеспечивают: сбор данных измерений с датчиков, предварительную обработку измерений, занесение результатов измерений в- БД в исходном и преобразованном в физические величины виде, подготовку данных для ЭС.

Центральный блок управления реализован средствами компонентов создания ЭС. хранения больших объемов данных и математических моделей оболочки ЭПРО. Он работает под общим управлением ЭС. Получившаяся в результате настройки ЭПРО прикладная ЭС содержит 15 предметных моделей и 21 модель объяснений, в которых используется свыше 4300 предметных правил, 7 функций принадлежности. Обеспечены объяснения результатов работы ЭС, контекстно-зависимая помощь, диалоговый интерфейс в режиме получения визуальных наблюдений. Из математических моделей использованы только регрессионные, их настройка проведена по материалам многолетних наблюдений, хранящихся в БД АСДК. При создании БД использована типовая структура БД и проведена ее настройка по перечисленным в методике параметрам: типы й имена датчиков, коэффициенты расчетных и вычислительных программ. Проведено наполнение БД наблюдениями за ГС за последние 15 лет и проверка непротиворечивости состояния БД путем построения тестовых диаграмм зависимостей. БД состоит из 15 файлов общим объемом 2 Мб. В рамках графической интерпретации БД обеспечено построение всех предусмотренных видов графиков. Время построения графиков зависит от периода наблюдения и становится заметным (до 30 секунд) для графиков по интервалу более 8 лет с периодичностью наблюдения 1 раз в неделю (более 450 точек на одном графике). Рабочие места персонала оформлены средствами компонента разработки и поддержания пользовательских интерфейсов ЭПРО

путем настройки типовых сценариев. В рамках графической поддержки работы пользователя системы предоставляются схемы, рисунки, планы гидроузла, продольные и поперечные разрезы плотины в разных точках, размещение датчиков и пунктов ВИЗ. При оценке состояния ГС обеспечивается: индикация текущего состояния плотины, обоснование выданной диагностики и исходные данные для диагноза; выдача рекомендаций персоналу; объяснение полученных результатов; выделение цепочек элементов ГС, оказавших наибольшее влияние на итоговую оценку; выделение элементов ГС с заданной степенью повреждения. Обеспечивается графическая интерпретация полученного диагноза и просмотр результатов диагностики в многооконном режиме. В зависимости от категории пользователя (эксперт или оператор) в АСДК реализованы разные конфигурации рабочих мест.

Система статических наблюдений реализована средствами компонента стыковки с КИА и обеспечивает: сбор данных с имеющихся на ГС датчиков, предварительную обработку показаний, занесение.показаний в БД в исходном и преобразованном в физические величины виде, подготовку данных для ЭС. Настройка программ компонента КИА проведена в соответствии с методикой путем задания в БД характеристик измерительной аппаратуры.

Система аварийного оповещения включается либо автоматически по результатам анализа данных оперативного контроля, либо оператором АСДК по результатам анализа данных, полученных в режиме обследования.

АСДК реализована на основе контроллера на базе ПЭВМ PC/XT и головной ПЭВМ PC/AT. Контроллер обеспечивает: опрос датчиков оперативного контроля; ручной ввод качественной информации; контроль интегральных показателей; включение режима обследования. На головной ПЭВМ организованы: ЭС; БД; рабочие места персонала. Подсистемы статических и сейсмометрических измерений через устройства сопряжения подключены к соответствующим датчикам. Пользователь может управлять работой АСДК через: поэтапный и комплексный запуск различных элементов АСДК; изменение режимов работы АСДК; управление работой каждого из компонентов.

В результате создания АСДК достигнуто: сокращение времени обнаружения отклонений в показаниях КИА, свидетельствующих о нарушениях в работе контролируемого объекта; повышение качества наблюдений, связанного с уменьшением интервала времени контроля до такого значения, в течение которого режим работы контролируе-

мого объекта не успевает существенно измениться; снижение себестоимости натурных наблюдений и обработки полученных данных в расчете на одно измерение.

Сравнение традиционного пути создания АС и с использованием ЭПРО показывает, что с ЭПРО достигается существенная экономия времени на каждом из этапов создания АС. упрощается сопровождение АС и ее. неизбежные модификации. Среднее время создания АС традиционным способом составляет около 60 месяцев, а использование ЭПРО сокращает этот срок до 17 месяцев и позволяет сосредоточить усилия разработчиков АС на самом трудоемком этапе опытной эксплуатации.

В приложениях приведены детали разработки ЭПРО и АСДК на Чарвакском гидроузле, а также дополнительные сведения, подтверждающие внедрение.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исследована задача разработки экспертной предметно-ориентированной оболочки для автоматизированной оценки состояния ГС: проведен анализ задачи создания АС для оценки состояния ГС; сформулированы требования к ИС для создания АС на ГС и с точки зрения этих требований проанализировано современное состояние ИС и АС. Поставлена задача по созданию экспертной предметно-ориентированной оболочки - ЭПРО.

2. Построена модель ЭПРО, включающая: предметно-ориентированную БЗ; средства сбора информации; средства отображения информации; средства принятия решений; БД.

3. Разработан формализм представления знаний экспертов по оценке состояния ГС и сформирована предметно-ориентированная БЗ, разработан предметно-ориентированный метод обработки недоопреде-ленностей на основе подхода теории возможностей и эвристических приемов объединения свидетельств теории подтверждений.

4. На основе предложенной модели и формализма представления знаний разработаны принципы и методы создания ЭПРО, обеспечивающей функционирование в едином комплексе компонентов: создания экспертных систем, хранения больших объемов данных, реализации математических моделей, взаимодействия с системой сбора информации от датчиков, разработки и поддержания пользовательских интерфейсов.

5. ЭПРО реализована в виде самостоятельного и законченного программного продукта, ориентированного на работу в конфигурации: ПЭВМ-типа IBM PC/AT 286, EGA, 640 Кб; винчестер 20Мб.

6. Разработана методика создания прикладных АС оценки состояния ГС на базе ЭПРО, которая позволяет существенно сократить сроки создания прикладной системы, повысить качество обследования ГС.

7„ Проведено исследование технических характеристик ЭПРО на примере создания АСДК на Чарвакском гидроэнергетическом комплексе. Исследование показало достоверность практических 'и теоретических результатов диссертационной работы. Показано, что применение ЭПРО в 3.4 раза сокращает сроки создания прикладных АС.

СПИСОК РАБОТ. ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Иващенко К.И., Кирсанов Б.С. Система ПЛОТИНА/ ЭКСПЕРТИЗА. Искусственный интеллект, кн. 1. Системы общения и экспертные системы: Справочник / Под ред. Попова Э. В. - М.: Радио и связь. 1990, С. 399-403

2. Иващенко К. И. Экспертная система оценки состояния эксплуатируемых гидротехнических сооружений. - Труды семинара "Экспертные системы". - М. : ЦРДЗ. 1992, с.114-119.

3. Иващенко К.И., Иващенко И.Н., Источников В.В. О безопасности плотин позаботится искусственный интеллект. Энергия. Экономика, техника, экология. 1992, H 10, с.12-15.

4. Иващенко К.И.,Кирсанов Б.С.. Попов Э.В. Экспертная предметно-ориентированная оболочка для автоматизированной оценки состояния гидротехнических сооружений. - Известия АН СССР. Техническая кибернетика, 1992, N 5, с. 209-217 .

5. Иващенко К.И. Плотина: экспертная предметно-ориентированная оболочка для автоматизированной оценки состояния эксплуатируемых гидротехнических сооружений . Труды международной конференции ЮНЕСКО "Математика, компьютер, управление и инвестиции" . Москва, 1993, с. 39.

6. Иващенко К.И., Кирсанов Б.С., Попов Э.В. Рынок систем искусственного интеллекта на рабочих станциях. - Труды семинара "Рабочие станции". - М.: ЦРДЗ, 1992, с. 88-96.

7. Иващенко К.И. Разработка средств построения экспертных систем реального времени.- Труды семинара "Технология проектирования интеллектуальных систем". - М. : МДНТП, 1990, с.78-83.

8. Иващенко К. И.. Кирсанов Б. С. Методология использования настраиваемого инструментального комплекса (на примере экспертной системы ПЛОТИНА). - Тезисы докладов 6-ой Всесоюзной научно-технической школы "Интеллектуальные банки данных".Бакуриани,1990,с.37.

9. Иващенко К.И. Принятие решений в диалоговой экспертной системе. - Сборник "Техника, экономика, информация", серия АСУ, вып. 1, ,1987, с.27-36

10. Иващенко К.И. Сопоставление образцов в настраиваемой экспертной системе. - Сборник "Вопросы специальной радиоэлектроники", серия СОИУ, вып. 6. 1987, с. 84-95.

И. Иващенко К.И., Кирсанов Б. С. Опыт разработки инструментальных средств и экспертных систем. - Тезисы докладов Всесоюзной школы-семинара "Разработка и внедрение в народное хозяйство ЕС ЭВМ." - Тбилиси. 1987. с.204-209.

12. Иващенко К.И. Использование системы ЭКСПЕРТИЗА для построения экспертных систем. - Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Диалог человек-ЭВМ". Тбилиси, 1987, с. 105-109.

13. Иващенко К.И. Инструментальное средстЕО построения экспертных систем на ПЭВМ. - Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития вычислительной техники". Москва, 1988, с. 33-37.

14. Иващенко К.И., Кирсанов Б. С. Инструментальное средство построения экспертных систем на ЕС ЭВМ. - Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития вычислительной техники". Москва, 1988, с.42-47.

15. Иващенко К.И., Кирсанов Б. С. НЭКС - средство для построения глубинных экспертных систем. - Труды второй Всесоюзной конференции по искусственному интеллекту. Минск, 1990, с.48-52.

\

Разин. 80 экз.

25. 04.94