Ю. В. НОВОСЁЛОВ
Московский энергетический институт (технический университет)
*****@***ru
СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ
ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА НА ОСНОВЕ КОГНИТИВНОГО ОБРАЗА
ФРАКТАЛЬНОГО ТИПА
В статье рассматривается понятие когнитивной графики и типы когнитивных образов. Разработан когнитивный образ фрактального типа и приводится описание его применения для решения задачи диагностики подсистемы компенсации давления водо-водяного энергетического реактора. Также рассмотрен процесс отображения на когнитивном образе тенденций изменения параметров контролируемого объекта.
Ключевые слова: когнитивная графика, когнитивный образ, диагностика технологического объекта, прогнозирование, классификация когнитивных образов
Введение
В основе решения большинства интеллектуальных задач лежит сбор фактов, их систематизация, критический анализ и на этой базе синтез новых знаний, которые не только описывают наблюдаемые природные или общественные явления, но и позволяют построить причинно-следственные связи для прогнозирования. Одним из методов систематизации, обобщения и получения новых знаний является образное представление информации о той предметной области, в рамках которой проводится исследование.
Когнитивная графика
Методология образного представления знаний основана на использовании графического изображения и набора правил контекстного пояснения, задающих взаимно-однозначное соответствие между параметрами решаемой задачи и фрагментами выбранного графического изображения, а также правил, описывающих процесс однозначной интерпретации выбранного графического изображения. Совокупность графического изображения и набора правил контекстного пояснения называют когнитивным образом, а раздел науки, изучающий принципы создания таких образов, – когнитивной графикой [1, 2]. К основным задачам когнитивной графики относятся: создание когнитивных образов для решения задач в различных предметных областях; разработка формальных механизмов описания когнитивных образов, ориентированных на компьютерное представление; разработка средств построения когнитивных образов.
Определение понятия когнитивный образ формулируется в следующем виде: когнитивный образ — это совокупность приемов и методов образного представления условий задачи, которое позволяет либо сразу увидеть решение, либо получить подсказку для его нахождения [3].
На рис. 1 представлена графическая интерпретация понятия когнитивного образа.
Рис.1. Графическая интерпретация понятия когнитивного образа
Выделяют две разновидности когнитивных образов: когнитивные образы на основе произвольных графических изображений, т. е. когнитивные образы, графические изображения которых имеют произвольную структуру; когнитивные образы на основе графических изображений с сетевой структурой, называемые когнитивными картами, т. е. когнитивные образы, использующие в качестве графических образов изображения графов.
Задачи, для решения которых предназначены когнитивные образы, классифицируются по двум направлениям. К первому направлению относятся задачи, в которых требуется непосредственно получить новое знание. Задачи второго направления, для решения которых используются когнитивные образы, характеризуются большим объёмом информации и необходимостью её анализа за ограниченный временной интервал.
Когнитивные образы (КО), с помощью которых решаются задачи в различных предметных областях, можно разделить на четыре класса: статические когнитивные образы, статические анимационные когнитивные образы, динамические когнитивные образы, динамические анимационные когнитивные образы.
Следует отметить, что выбор графического изображения при формировании когнитивного образа необходимо осуществлять не только на основе анализа различных графических изображений, но и на основе анализа разных уровней детализации одного и того же графического шаблона. Это означает, что применение определенного графического изображения при формировании когнитивного образа может быть затруднительным до тех пор, пока данное графическое изображение не будет представлено более детально, т. е. будет представлено на другом уровне детализации [4, 5], для того, чтобы можно было подобрать наиболее подходящий вид или ракурс графического изображения для отображения параметров решаемой задачи.
Использование когнитивного образа в задаче диагностики
Рассмотрим принципы создания когнитивного образа с использованием детализации графического изображения на примере когнитивного образа для решения задачи диагностики сложного технологического объекта. Она предусматривает анализ большого количества информации, характеризующей состояние диагностируемого объекта за ограниченный временной интервал. Задача диагностики технологического объекта заключается в проверке исправности, работоспособности и правильности функционирования объекта, а также задачи поиска дефектов, нарушающих исправность, работоспособность или правильность функционирования [6].
Суть задачи диагностики сложного технологического объекта заключается в выявлении состояния диагностируемого объекта. Все возможные состояния объекта разделяют на несколько категорий, за каждой из которых закрепляются определённые цвета для их дальнейшего графического отображения. Часто выделяют четыре категории состояний объекта: категории стабильного функционирования объекта соответствует зелёный цвет; категории состояний с отклонениями контролируемых параметров в пределах нормы – жёлтый цвет; категории состояний с отклонениями контролируемых параметров вне пределов нормы – оранжевый цвет; категории аномального режима работы объекта – красный цвет.
Необходимо отметить, что в процессе решения задачи диагностики сложного технологического объекта следует рассматривать объект на разных уровнях абстракции. На первом уровне абстракции рассматривается общее состояние объекта. На втором уровне абстракции рассматриваются состояния каждой из систем, входящих в состав рассматриваемого объекта, т. к. на основании данных состояний можно сделать заключение о состоянии контролируемого объекта в целом. На третьем уровне абстракции рассматриваются состояния отдельных блоков, из которых состоят системы, рассматриваемые на предыдущем уровне абстракции и т. д. На последнем уровне абстракции рассматриваются значения параметров, характеризующих состояния элементарных компонент объекта, состояния которых рассматривались на предпоследнем уровне абстракции. Анализ объекта диагностики осуществляется на различных уровнях абстракции для того, чтобы детально отследить на каждом уровне абстракции причины аномальной работы объекта, а точнее его элементов. Подробно отобразить на различных уровнях абстракции состояние технологического объекта позволяет когнитивный образ, в основу которого положено фрактальное графическое изображение в виде кристалла (кристаллического типа). Отображение состояния диагностируемого объекта в целом и его элементов на различных уровнях абстракции осуществляется на основе изменения цветового режима фрагментов когнитивного образа. Общее состояние диагностируемого объекта отображается с помощью цветового режима фрагмента, расположенного в центре фрактального когнитивного образа кристаллического типа. Данный фрагмент будем называть первым ярусом фрактального когнитивного образа кристаллического типа.
Отображение состояния каждой системы, входящей в состав рассматриваемого объекта (системы, относящейся ко второму уровню абстракции), осуществляется на основе изменения цветового режима пятиугольников в виде часовых стрелок, прилегающих одной из своих сторон к внешним границам центрального фрагмента (данная композиция напоминает солнце с исходящими из него лучами). Совокупность данных пятиугольников составляет второй ярус фрактального когнитивного образа кристаллического типа. Количество фрагментов второго яруса зависит от количества систем, входящих в состав диагностируемого объекта, т. к. отображение состояния одной системы осуществляется на основе изменения цветового режима одного из фрагментов второго яруса. К наиболее удаленным от центра границам фрагментов второго яруса прилегают пятиугольники в виде часовых стрелок, цветовые режимы которых позволяют отобразить состояния отдельных блоков объекта, рассматриваемых на третьем уровне абстракции. Совокупность данных фрагментов составляет третий ярус фрактального когнитивного образа кристаллического типа. Отображение состояния блоков, относящихся к третьему уровню абстракции, осуществляется на основе изменения цветовых режимов элементов третьего яруса. По описанному принципу расположены и используются для отображения состояний элементов диагностируемого объекта фрагменты четвертого и последующих ярусов фрактального когнитивного образа кристаллического типа. Детализация и число ярусов данного когнитивного образа зависит от количества элементов на каждом уровне абстракции и от количества самих уровней абстракции, на которых рассматривается объект диагностики.
Рассмотрим применение описанного выше фрактального когнитивного образа кристаллического типа для диагностики системы компенсации давления реактора. Рассматриваемый реактор атомной станции имеет два контура. Первый (реакторный) контур полностью изолирован от второго, что уменьшает радиоактивные выбросы в атмосферу. В первом контуре циркуляционные насосы прокачивают воду через реактор и теплообменник. Рабочее тело (вода) реакторного контура находится под повышенным давлением, однако, несмотря на высокую температуру (293 градуса – на входе, 320 – на выходе в реактор) её закипания не происходит. В теплообменнике-парогенераторе теплоноситель, циркулирующий по первому контуру, отдает тепло воде второго контура, где она превращается в пар. Пар, генерируемый в парогенераторе, по главным паропроводам второго контура поступает на турбины, отдает часть своей энергии на вращение турбины и после чего поступает в конденсатор. Конденсатор, охлаждаемый водой конденсационного контура, обеспечивает сбор и конденсацию отработавшего пара. После чего конденсат подается снова в теплообменник. Описанный процесс непрерывно повторяется и является замкнутым термодинамическим циклом.
Для выравнивания колебаний давления в первом контуре, возникающих за счёт теплового расширения теплоносителя, служит система компенсации давления реактора атомной станции. Компенсатор давления представляет собой резервуар, в нижней части которого находится вода, отводимая при необходимости из первого контура, а в верхней части компенсатора находится пар, который при необходимости можно удалить, используя систему удаления газа и пара. При необходимости пар можно конденсировать для этого используется система конденсации пара. Воду, которая находится в нижней части резервуара компенсатора давления, можно испарить, используя систему нагревателей.
При создании фрактального когнитивного образа кристаллического типа (рис. 2) для диагностики компенсатора давления (КД) на этапе детализации был осуществлен анализ описанных принципов работы КД.
На первом ярусе в центре когнитивного образа будет расположено схематическое изображение резервуара компенсатора давления, на котором горизонтальной линией отмечен уровень воды в резервуаре компенсатора давления при его стабильной работе. Вокруг данного изображения резервуара расположена широкая рамка, цветовой режим которой отражает состояние системы компенсации давления в целом.
Рис. 2. Фрактальный когнитивный образ кристаллического типа
для диагностики компенсатора давления
Цветовой режим фрагмента второго яруса, расположенного внизу справа, отражает общее состояние параметров рабочего тела в первом контуре реактора. Цветовой режим фрагмента второго яруса, расположенного внизу слева, отражает общее состояние системы электронагревателей. Цветовой режим фрагмента второго яруса, расположенного наверху слева, отражает общее состояние системы конденсации пара. Цветовой режим фрагмента второго яруса, расположенного наверху справа, отражает общее состояние системы удаления газа и пара. Цветовые режимы фрагментов третьего яруса отображают состояния блоков, входящих в состав систем, состояния которых отображались фрагментами второго яруса. Цветовые режимы фрагментов четвертого яруса отображают состояния элементарных систем, входящих в состав блоков, состояния которых отображались фрагментами третьего яруса. Цветовые режимы фрагментов пятого яруса отображают состояния параметров, характеризующих состояния элементарных систем, состояния которых отображались фрагментами четвертого яруса. В результате цветовой режим сформированного когнитивного образа позволит понять лицу, принимающему решение, в каком состоянии в целом находится КД и в каком состоянии находятся все его элементы на каждом уровне абстракции.
Представление тенденций развития ситуации на контролируемом объекте с использованием когнитивного образа
Для диагностики состояния контролируемого объекта была разработана система поддержки принятия решений, в основе которой лежит созданный фрактальный когнитивный образ. Цветовой режим образа показывает состояние подсистем объекта.
Также система поддержки принятия решений позволяет выбирать режим, при котором отображаются тенденции изменения значений параметров, контролируемого объекта. При включении данного режима происходит формирование цветового режима фрагментов последнего яруса когнитивного образа. Режим отображения тенденций изменения параметров предназначен для формирования динамической оценки состояния каждого параметра контролируемого объекта. Данный режим работает по следующим правилам. Вначале вычисляются значения четырёх функций принадлежности для каждой цветовой категории согласно (1)–(4):
(1)
(2)
(3)
(4)
Здесь x0 – середина отрезка между значениями нижней и верхней уставки, xmin – значение нижней уставки, xmax – значение верхней уставки.
Выбирается цветовая категория с максимальной степенью принадлежностью. Данная цветовая категория используется для формирования цвета основной части остроконечного отрезка.
Для формирования цветового режима следующего яруса когнитивного образа вводится матрица M, столбцами которой являются фрагменты когнитивного образа, а строками - значения принадлежности фрагмента образа к цветовой категории (5).
(5)
Вводится функция (6) определения номера цветовой категории для заданного фрагмента i. На вход в неё поступает матица M и номер фрагмента, цветовой режим которого определяется. На выход она выдаёт номер цветовой категории, в цвет которой закрашен фрагмент. Максимум функции принадлежности показывает значение μ для цвета, в который закрашен фрагмент образа.
(6)
Значения функции принадлежности для пятого фрагмента формируются согласно следующему правилу. Осуществляется перебор четырёх фрагментов более низкого уровня детализации. Если значение разности номеров цветовых категорий нулевого фрагмента и текущего рассматриваемого фрагмента минимально, то его значения степеней принадлежности присваиваются пятому фрагменту (7).
(7)
Максимальное значение из μ5,1, μ5,2, μ5,3, μ5,4 соответствует индексу цветовой категории, с которой будет совпадать цветовой режим окрашиваемого фрагмента. Описанный алгоритм формирования цветового режима фрагмента когнитивного образа повторяется для всех фрагментов КО.
Если найденное максимальное значение степени принадлежности, используемое для формирования основной части конечного фрагмента когнитивного образа, приближается к единице, то цветовой режим образа формируется стандартно. В противном случае система поддержки принятия решений делает вывод о недостаточной стабильности данного параметра. Осуществляется поиск второго наибольшего значения функции принадлежности. Цветовая категория за которой соответствует новая найденная степень принадлежности определяет цветовой режим остроконечной части конечного фрагмента когнитивного образа.
Конечный фрагмент когнитивного образа разделяется на две части, при этом положение разделительной линии определяется на основе разностей значений максимальной и следующей за максимальной функций принадлежности. Если разность между ними близка к нулю, то разделитель отображается в середине остроконечного фрагмента образа. Если разность между ними близка к единице, то разделитель отображается ближе к концу остроконечного фрагмента образа.
Часть фрагмента образа, расположенная ближе к фрагменту более высокого уровня абстракции заполняется цветом, соответствующим максимальной найденной степени принадлежности. Часть фрагмента образа, расположенная ближе к концу остроконечного фрагмента, заполняется цветом, соответствующим следующему за максимальным значению функции принадлежности.
Заключение
В статье рассмотрены понятия когнитивной графики и когнитивного образа. Приводится классификация типов когнитивных образов. Рассматривается задача диагностики технологических объектов и применение когнитивных образов для её решения.
Приводится описание разработанного когнитивного образа фрактального типа, и описание процесса формирования его цветового режима, который отвечает за представление состояния контролируемого объекта.
Разработанный образ фрактального типа позволяет отображать тенденции изменения состояний параметров контролируемого объекта. Это позволяет обеспечивать прогнозирование состояние объекта в целом.
Образное графическое представление информации о решаемой задаче является эффективным по степени выразительности и по времени восприятия лицом, принимающим решение. Это преимущество важно для контроля и управления сложными и критическими по времени процессами.
Список литературы
1. Рассел, Стюарт, Норвиг, Питер. Искусственный интеллект: современный подход, 2-е изд./ Пер. с англ. М.: Издательский дом “Вильямс”, 2006.
2. Поспелов -лингвистические модели в системах управления и искусственного интеллекта. М.: Наука, 1981.
3. Поспелов графика – окно в новый мир. // Программные продукты и системы. 19С. 4-6.
4. Вагин графика в системе поддержки принятия решений для диагностики атомного реактора// Труды XXXV юбилейной международной конференции. VI международной конференции молодых ученых. Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе. М.: ГУРЗУФ, 2008. С. 120-122.
5. , Башмаков информационные технологии. М.: Изд-во МГТУ им. , 2005.
6. Пархоменко положения и рекомендации по организации диагностического обеспечения сложного объекта. М.: Машиностроение, 1985.
