автоматизированная система выявления нештатных ситуаций в
advertisement
8612 УДК 004.832.2:004.2 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ВЫЯВЛЕНИЯ НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЙ В ПРОЦЕССАХ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ И ПОИСКА РЕШЕНИЙ ПО ИХ УСТРАНЕНИЮ Д.А. Романенко Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Россия, 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5 E-mail: romanenko.dmitry@nicetu.spb.ru С.А. Беляев Открытое акционерное общество «Научно-инженерный центр Санкт-Петербургского электротехнического университета» Россия, 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5, литера О E-mail: beliaev@nicetu.spb.ru Ключевые слова: поддержка принятия решений, нештатная ситуация, автоматизированная система, семантический анализ, технологический график Аннотация: В данной статье представлены подходы к выявлению нештатных ситуаций и поиска решений по их устранению. Также в статье формализовано понятие и структура нештатной ситуации и рассмотрена ее математическая модель. На основе предложенных подходов, структур и функциональных модулей спроектирована архитектура автоматизированной системы выявления нештатных ситуаций в процессах управления сложными техническими системами и поиска решений по их устранению. 1. Введение Эксплуатация современных ракетно-космических комплексов сопряжена с высокими рисками, как для техники, так и для обслуживающего персонала. Одним из факторов, определяющих надежность функционирования и безопасности эксплуатации таких комплексов, является надежность функционирования технических средств. Сложная структура космических систем и комплексов, опасность выполняемых операций, не большая частота пусков приводят к тому, что вопросы организации поддержки принятия решений по управлению эксплуатацией ракетно-космической техники на стадии подготовки и пуска ракет космического назначения, а также в периоды между пусками, приобретают все большее значение. Аналогичная ситуация возникает на других сложных технических системах и комплексах. Существующий уровень автоматизации в общем случае не позволяет в автоматическом режиме найти выход из нештатных и аварийных ситуаций, требуется вмешательXII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 8613 ство специалистов. В этих ситуациях техническим руководителям, командирам боевых расчетов и операторам систем управления необходимо быстро и правильно принять решение, от которого может зависеть как результат работы, так и сценарий развития дальнейших событий [1]. При возникновении нештатных и аварийных ситуаций решения принимаются в условиях неполной информированности, неопределенности, дефицита времени и в стрессовом состоянии. В таких условиях возрастает вероятность принятия неверного решения, в связи с этим актуальной представляется автоматизация процесса поддержки принятия решений, а в случае возможности определения однозначного алгоритма выхода – автоматическое принятие решения. 2. Исходные данные для поддержки принятия решения Для поддержки принятия решения по нештатной или аварийной ситуации необходимо сначала определить факт ее возникновения. Исходными данными при этом являются: отклонения от штатной работы технических средств, информация о нарушениях при выполнении работ технологического графика, голосовые сообщения о наблюдаемых внешних проявлениях, которые могут привести к возникновению нештатных ситуаций. Перечисленные отклонения и нарушения могут быть не только причиной для изменения планового хода выполнения технологического графика, но и привести к нештатным или аварийным ситуациям. 2.1. Отклонения от штатной работы технических средств Отклонения от штатной работы технических средств можно условно разделить на следующие группы: отклонения, которые являются технологически допустимыми (данные значения регламентируются в соответствующей документации и не могут привести к развитию аварийной ситуаций); отклонения, выявленные в результате опытной эксплуатации данных систем, значения которых не повлияли и не могут повлиять на ход выполнения технологического графика (определяются экспертами на основе практического опыта); прочие отклонения, при которых либо неизвестны варианты дальнейшего функционирования технических средств, либо поведение контролируемых параметров показывает развитие нештатной или аварийной ситуации. Отклонения первой и второй группы существенное влияние на эксплуатацию систем и агрегатов в общем случае не оказывают. Появление отклонений из третьей группы может нарушить плановый ход выполнения работ, при этом количество анализируемых данных может превышать несколько тысяч типов контролируемых параметров. При анализе этих значений и зависимостей между ними специалистом существенное значение начинает играть человеческий фактор. Ошибка в оценке критичности ситуации может привести к непоправимым последствиям, что недопустимо при функционировании сложных технических комплексов. Фактически, при появлении любых отклонений должна регистрироваться нештатная ситуация, на основании которой техническому руководителю должна предоставляться информация о ее критичности, возможном влиянии на выполнение работ в целом и рекомендуемых действиях по выходу из данной ситуации. XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 8614 2.2. Информация о нарушениях при выполнении работ технологического графика Использование сложных технических комплексов регламентируется графиками и процедурами, при этом для сложных последовательностей действий составляются технологические графики. В таких графиках в общем случае отражаются перечень необходимых работ (с указанием абсолютного времени начала и продолжительности каждой работы), а также зависимости между ними. Личный состав, выполняющий работы согласно технологическому графику обязан выполнять задачи за заданное время. В случае нарушения продолжительности выполнения работ в зависимости от их нахождения на критическом пути они могут повлиять на время выполнения технологического графика в целом. В реальности технологический график не всегда является догмой и возникновение ситуаций, при которых какая-либо работа не может быть выполнена, приводит к тому, что при этом регистрируется нештатная ситуация, которая приводит к перепланированию с использованием алгоритма выхода из нештатной ситуации [2]. 2.2. Голосовые сообщения о наблюдаемых внешних проявлениях Сложные технические комплексы эксплуатируются личным составом, который в процессе эксплуатации отдает команды, докладывает о ходе выполнения работ и полученных результатах. В настоящее время в большинстве случаев такие доклады осуществляются с использованием радиосвязи или телефонов и, как максимум, записываются для дальнейшего анализа. При этом такие команды и доклады являются строго формализованными и структурированными. При возникновении нештатных и аварийных ситуаций или каких-либо отклонений от штатной работы информация, передаваемая с использованием голосовых сообщений, может автоматически анализироваться и использоваться для упреждающей подсказки руководителю работ о возможной нештатной ситуации и рекомендуемому алгоритму выхода из нее. 3. Модель автоматизированной системы 3.1. Структура нештатной ситуации Нештатная ситуация и план выхода из нее может быть формализован с использованием математической модели [3], основывающейся на том, что эксплуатация сложных технических комплексов осуществляется с использованием технологических графиков: М = (S, R, Р, F, X, Y, А, Н, L, Ψ, Q), где: S – конечное непустое множество событий технологического процесса, содержащее начальное so и конечное sk события технологического графика; R – конечное непустое множество работ технологического графика; Р S×R×S – конечное непустое множество реальных переходов, причем в кортеже <si, r, sj>si≠sj; F S×S – множество, возможно пустое, фиктивных переходов, причем в кортеже <si, sj>si≠sj; X V×W×Z – вектор состояния оборудования технологического процесса, где V – множество объектов, связанных с выполнением технологического процесса, W – множество параметров, характеризующих состояние объектов, Z – множество значений параметров; XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 8615 Y: ST × X – функция фиксации события, где Т – множество временных отметок события, функция Y фиксирует время свершившегося события и состояние оборудования на этот момент; А Р – множество активных переходов, причем (<si, r, sj> А) si зафиксированное событие, sj незафиксированное событие, т.е. это подмножество реальных переходов между зафиксированными и незафиксированными событиями; Н – нештатное событие, где Н S и Y(H); L – правила преобразования модели; Ψ(Н, А, Х) – функция поиска решения; Q – правила подстановки решения в модель. Представленная модель описывает возникновение нештатной ситуации в виде появления незапланированного события, которое произошло в определенный момент времени на некотором объекте при выполнении операций организационнотехнологического процесса. Она фиксирует состояние технологического процесса на момент возникновения нештатной ситуации. Представленная модель может быть расширена для учета голосовых сообщений о наблюдаемых внешних проявлениях. Таким образом, эта модель может быть расширена: M1 = (M, G, D), где G – голосовые доклады, полученные при фиксации нештатной ситуации; D – текстовое описание нештатной ситуации на естественном языке. При этом функция фиксации события включает в себя и внешние проявления зарегистрированного события, полученные с использованием голосовых команд Y1: ST × X×G. Голосовые команды G имеют неоднозначное соответствие во множестве внешних проявлений V и в текстовых описаниях нештатных ситуаций D. С одной стороны появляется дополнительная неопределенность, с другой стороны она позволяет уточнить результаты идентификации нештатной ситуации на основании вектора состояния оборудования технологического процесса X. Расширенная модель позволяет автоматически уточнять нештатные ситуации с использованием голосовых сообщений и выполнять поиск по нештатным ситуациям не только по совпадению параметров технического состояния оборудования и информации о нарушении сроков выполнения работ технологического графика, но и по результатам семантического поиска по тексту. При этом механизм сопоставления получается следующий: голосовые доклады g G с помощью механизма семантического поиска сопоставляется с внешними проявлениями V и описаниями нештатных ситуаций D. При наличии совпадений осуществляется фиксация нештатной ситуации. Параллельно осуществляется поиск в истории нештатных ситуаций, при наличии совпадений существенно возрастает вероятность повторения нештатной ситуации. Вследствие большого количества анализируемых данных, многочисленности личного состава, выполняющего различные работы, обработка подобных данных является трудоемким процессом для человека. При этом нештатные ситуации могут возникать при различных вариациях состояний, используемых в функции фиксации нештатной ситуации (отклонения от штатной работы технических средств, информация о нарушениях при выполнении работ технологического графика, голосовые сообщения о наблюдаемых внешних проявлениях). Описания нештатных ситуаций выполняются в том числе на естественном языке D. Описания включают в себя условия возникновения и проявления нештатной ситуации, а также возможные последствия. Использование расширенной модели позволяет более XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 8616 точно идентифицировать нештатную ситуацию и выполнять интегрированный поиск. Описания на естественном языке подразумевают использование семантического поиска, для которого регламентируется определенный уровень совпадения. 3.2. Архитектура системы выявления нештатных ситуаций Структура нештатных ситуаций включает в себя следующие ключевые элементы: обработку данных, полученных от технических средств, для оценки отклонений от их штатной работы; контроль технологических графиков для оценки возможных нарушений при выполнении работ; контроль голосовых сообщений о наблюдаемых внешних проявлениях; функция фиксации события. На основании структуры нештатных ситуаций может быть разработана архитектура системы выявления нештатных ситуаций (рис. 1), включающая в себя модуль обработки данных, полученных от технических средств, модуль контроля выполнения операций технологического графика, модуль обработки и анализа голосовых команд и докладов и модуль выявления нештатных ситуаций и поиска вариантов их устранения. Рис. 1. Архитектура автоматизированной системы выявления нештатных ситуаций в процессах управления сложными техническими системами. XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 8617 В представленной архитектуре системы выявления нештатных ситуаций в процессах управления сложными техническими системами с учетом особенностей математической модели нештатной ситуации выделены основные источники данных о возникновении нештатных ситуаций: технические средства, средства переговоров, база данных и база онтологий. Передача информации от источников осуществляется с использованием соответствующих программных интерфейсов. 3.3. Регистрация нештатной ситуации Технические средства через универсальный интерфейс взаимодействия передают информацию о своем функционировании в модуль обработки данных, полученных от технических средств. Модуль обработки данных решает следующие задачи: структуризация и формализация измерительной информации; обработка и анализ накопленной качественной и измерительной информации (в том числе динамики изменения); обработка новых данных с целью выявления несоответствий; анализ полученных результатов обработки и поиск на основе результатов анализа перечня возможных причин и факторов, которые могут привести к развитию нештатных ситуаций. В общем случае полученная информация может содержать шумы, носить неоднородный характер. Полученные данные обрабатываются с помощью различных математических методов, таких как расчет оценок среднего значения наблюдаемой случайной величины, оценка вероятности случайного события по частоте, оценка необходимого числа экспериментов для оценивания вероятности частного события, анализ и кластеризация параметров и другие. Анализ отклонений осуществляется с использованием как простейших пороговых значений, так и анализом совокупности данных, когда каждый параметр в отдельности находится в допустимом интервале, а совокупность значений говорит о развитии нештатной ситуации. Исполнение операций технологических графиков фиксируется как на основании данных, полученных от технических средств, так и на основании данных, введенных операторами – в случае ручных операций. При контроле технологических графиков наибольшее внимание уделяется работам критического пути. При возникновении отклонений они используются для анализа параметров нештатных ситуаций. Через интерфейс регистрации голосовых докладов и команд могут быть обработаны как предусмотренные команды по внесению изменений в технологический график, например, «Остановить заправку», так и не предусмотренные внешние проявления, например, «Пожар», «Запах горелой проводки» и т.п. Выявление нештатных ситуаций по этим параметрам позволяет определить возможность нарушения технологического графика не только по точному совпадению численных значений, но и с точки зрения экспертных знаний человека. В качестве инструментов распознавания речи могут использоваться модули, работа которых основана на методах распознавания речи, использующих алгоритмы динамического программирования, дискриминантного анализа и нейронных сетей. Для анализа текущей обстановки в каждый момент времени в модуль выявления нештатных ситуаций поступает информация, которая является выходными данными для остальных модулей: показатели работы технических средств, ход выполнения технологического графика, а также распознанные голосовые команды и доклады. На основании данных источников осуществляется соответствия текущей ситуации и параметров и характеристик нештатной ситуации. XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 8618 3.4. Поиск вариантов выхода из нештатной ситуации В случае регистрации нештатной ситуации осуществляется поиск выхода из нее с использованием функции Ψ(Н,А,Х). Для реализации данной функции целесообразно использовать базу знаний алгоритмов выхода из нештатных ситуаций, под которыми будут подразумеваться уже сохраненные в ней на данный момент фрагменты технологических графиков по разрешению нештатных ситуаций и процедуру поиска релевантных решений. Такой подход к организации базы знаний называют «вывод, основанный на прецедентах». В простейшем случае начальное наполнение такой базы знаний может быть сформировано на основании проработанных производителем сложной технической системы возможных нештатных ситуаций, формализованных с использованием предложенной математической модели. Идентификация и извлечение прецедентов может осуществляться на основании метода поиска по аналогии, который основывается на измерении степени совпадения значений атрибутов, определяющих прецедент. Выбор необходимых прецедентов при этом происходит при помощи вычисления меры сходства между текущим прецедентом и прецедентами, которые находятся в базе знаний, с использованием вектора расстояний между соответствующими атрибутами текущей нештатной ситуации и возможным ее аналогом в истории. При необходимости степень совпадения может учитывать степень влияния совпадения или несовпадения конкретных атрибутов на вероятность появления прецедента. При этом необходимо учитывать, что в качестве одного из источников данных являются голосовые команды и доклады, поэтому следует обрабатывать и совпадения, формируемые при анализе естественного языка. Степень соответствия при этом может быть определена с помощью методов семантического поиска, кластеризации текстов, контент-анализа, алгоритмов шинглов, Бойера-Мура и других. При наличии однозначного выхода из нештатной ситуации система может автоматически внести необходимые изменения в технологический график и работать в уведомительном режиме, в случае неоднозначного решения целесообразно привлечение руководителя работ для принятия окончательного решения. 4. Заключение Таким образом, автоматизированная система выявления нештатных ситуаций в процессах управления сложными техническими системами и поиска решений по их устранению позволяет обрабатывать в рамках единой информационной системы как традиционные источники информации, такие как информация о ходе выполнения технологических графиков и параметры работы технических средств, так и голосовые команды и доклады, которые в общем случае содержат не только формальные признаки по выполняемым работам, но и не формализованную информацию о возможных нештатных ситуациях. Руководителю работ в каждый момент времени предоставляется интегрированная информация о всех возможных параметрах выполняемого процесса с автоматической оценкой возможности возникновения нештатных ситуаций. Предложенный подход выявления нештатных ситуаций может быть расширен дополнительным источником информации в виде модуля интеллектуального видеонаблюдения. При этом в автоматическом режиме может контролироваться процесс исполнения технологических процессов с точки зрения распознанных видеообразов (например, в видимом и инфракрасном спектрах). При этом основное внимание необходимо будет уделить видеодетекторам, которые будут регистрировать исполнение или нарушение технологических операций. При современном уровне развития не представляется возможным создать все возможные видеодетекторы, поэтому при расширении предXII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 8619 ложенной архитектуры модулем интеллектуального видеонаблюдения необходимо будет для каждой сложной технической системы разрабатывать новый комплект видеодетекторов. В общем случае математическая модель нештатной ситуации при этом не претерпит существенных изменений. Описанная автоматизированная система выявления нештатных ситуаций в процессах управления сложными техническими системами и поиска решений по их устранению может быть применена, например, при эксплуатации современных ракетнокосмических комплексов, при эксплуатации атомных, тепловых и других электростанций, при производстве систем и агрегатов, переработке руды на металлургических комбинатах и в других областях. Список литературы 1. 2. 3. Ginzberg M.I., Stohr E.A. Decision Support Systems: Issues and Perspectives. Processes and Tools for Decision Support / ed. by H.G. Sol.. Amsterdam: North-Holland Pub.Co, 1983. Джексон П. Введение в экспертные системы / Питер Джексон; пер. с англ.: Уч. пос. М. : Вильямс, 2001. 624 с. Павловский М. Г., Разумовский Г. В. Модель планирования выхода из нештатной ситуации в детерминированных технологических процессах // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2007. № 1. С. 26-31. XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г.
