Технические науки/ 5.Энергетика

Д.т.н. Сазыкин В.Г., к.т.н. Кудряков А.Г.

Кубанский государственный аграрный университет, Россия

Особенности технических задач
решаемых экспертными системами

Электроэнергетические системы, системы электроснабжения районов, промышленных и крупных сельскохозяйственных предприятий характеризуются большим количеством составляющих элементов, значительным числом контролируемых показателей, сложностью и широким диапазоном скоростей протекающих процессов. Это приводит к увеличению количества плохо формализуемых задач, которые нельзя решать с помощью традиционных моделей, описываемых классическими линейными, нелинейными и в частных производных дифференциальными уравнениями. Поэтому для АСУ новым направлением совершенствования их функционирования является применение интеллектуальных систем, основанных на эвристическом подходе в решении задач управления [1, 2]. Наибольшее распространение среди интеллектуальных систем получили экспертные системы (ЭС), содержащие их основные компоненты.

Новое информационное направление имеет возможность облегчить решение комплекса проблем электроэнергетики, решить многие вопросы подготовки и переподготовки инженеров-электриков. Поскольку ЭС обладают возможностью приобретения знаний высококвалифицированных экспертов, других источников специальной информации о предметной области и эффективно использовать накопленные знания в нужный момент, то появляется возможность автоматизировать интеллектуальные процессы принятия решений, ранее считавшиеся ограниченно доступными для вычислительной техники. Еще одним важным преимуществом ЭС является концентрация принципиальных методов управления в одном месте – одновременная централизация и децентрализации функций автоматизации управления, единоначалия и коллегиальности, научной обоснованности принимаемых решений, плановости, иерархичности и обратной связи в процессе прохождения управляющего решения [3].

К особенностям интеллектуальных задач, предлагаемых для решения экспертными системами, прежде всего, относят следующие:

- задача представляет большой интерес для практики или обещает принести высокую прибыль;

- достаточно понятна;

- требует только интеллектуальных навыков. Цель достигается без применения силового воздействия, когда требуется то или иное управляющее воздействие;

- имеются специалисты, чьи знания могут быть заложены в ЭС;

- эксперты единодушны в принимаемых ими решениях и могут описать применяемые ими методы работы, а также все те соображения, которыми они руководствуются при решении;

- символьные задачи не могут быть заданы в числовой форме, а цели не могут быть выражены в терминах точно определенной целевой функции;

- для эвристических задач не существует алгоритмического решения или если алгоритмическое решение существует, то его нельзя использовать из-за ограниченности ресурсов ЭВМ – длительность решения, недостаточный объем памяти; используемая информация о предметной области и решаемой задаче может быть динамически изменяющейся, неполной, неоднозначной, недостоверной, противоречивой, ошибочной. Например, при оценке технического состояния сложного электрооборудования присутствует неопределенность параметров оценки состояния объекта, не позволяющая сформулировать четкий интегральный критерий;

- большое количество влияющих на состояние объекта факторов, в том числе и таких, которые не имеют количественного выражения;

- параметрическая связь между факторами, неявная и неоднозначная, трудно формализуемая, плохо структурированная;

- недостаточность информации о параметрах системы, режима и состояния объекта;

- зависимость качества вырабатываемого решения от опыта, квалификации и интуиции персонала.

К функциям АСУ, требующим интеллектуализации, относятся: управление параметрами системы, режима и состояния; выполнение проектных и расчетных задач; диагностика состояния электрооборудования, аудит и мониторинг, учет электромагнитной совместимости; поддержка и сопровождение принятия решений в сложных экстраординарных ситуациях; обучение лиц, принимающих решения (ЛПР); управление в реальном времени.

Однако нельзя считать, что использование новой информационной технологии сразу решит все проблемы энергетики, это не так – переход к использованию только ЭС создаст еще и новый ряд проблем. Но, сравнивая опыт внедрения ЭС в другие технические системы [4], определенно можно сказать, что рассматриваемое применительно к промышленной электроэнергетике направление обладает будущим, поскольку интеллектуальные системы, используемые для решения практических задач, позволяют получать результаты, во многом превосходящие те, которые обычно получает ЛПР. Безусловно, создание нового приложения ЭС займет определенное время, но более короткое, чем специальная подготовка школы кадров и овладение производственным опытом, на что обычно уходят десятки лет.

Повышение эффективности АСУ за счет преодоления традиционных подходов и методов неинтеллектуальной обработки информации выявило идею поэтапной интеллектуализации с возможностью преодоления неопределенной информации, в частности, с помощью теории нечетких множеств. В организации ЭС, являющихся соответствующими моделями естественного интеллекта, выделим 5 уровней: 1) инвариантный, мировоззренческий; 2) концептуальный; 3) стратегический; 4) тактический; 5) процедурный. Этим уровням моделей естественного интеллекта соответствуют по типу используемых знаний и характеру решаемых задач ЭС пяти уровней:

- общенаучного, фундаментального (оперируют знаниями фундаментальных законов физики, химии, философии, психологии, экономики и т.д.);

- общетехнического предметно-ориентированного (оперируют концептуальными знаниями соответствующего раздела техники, например, электромагнитных явлений и процессов);

- прикладного, ориентирующегося на централизованную систему приложений, например, САПР и АСУ в электроэнергетике;

- группового, решающего задачи синтеза, выбора модели исследования или поведения;

- индивидуального, решающего задачи мониторинга, анализа, оптимизации, диагностики, управления режимами и т.п.

Первый уровень ЭС характеризует целостность восприятия мира и образное мышление. Пока это теоретический уровень реализации ЭС.

Второй уровень находит воплощение в виде отдельных компонентов, например, создание базы научных знаний для САПР и АСУ устройств электроэнергетики.

Наиболее технически развиты экспертные системы 3–5 уровней, получившие воплощение во многих сферах деятельности [11], однако в меньшей степени нашедшие отражение в электроэнергетике. Чтобы разрабатывать предлагаемые направления-уровни применительно к электроэнергетике, необходимо глубже разобраться в механизме обработки информации человеком на рассматриваемых участках творческой деятельности и выбрать руководящую идею и ведущий смысл для построения ЭС, поскольку разработка общей концепции, например, только для интеллектуальной АСУ, задача очень сложная.

Экспертная система рассматривается как аппарат, реализующий адаптируемую к предметной области модель естественного интеллекта. Основной концепцией организации АСУ принята интеграция этой системы с ЭС, а также их внешняя и внутренняя интеллектуализация. Выделенные пять уровней моделей естественного интеллекта вписываются в эту концепцию. Но по мере перехода к низшим иерархическим уровням требуется более детальная проработка и дополнение предложенной концепции. В этом смысле интересен процесс накопления и использования опыта в инженерной деятельности. Во многих работах отмечается, что если опыт многократно приводит к успешному результату, то он превращается в умственный автоматизм (умственный условный рефлекс).

На этом принципе построена подготовка диспетчерского персонала, отрабатывающего действия по ликвидации аварийных режимов на тренажерах. Однако реакция опытного оператора в реальных ситуациях оказывается не простой механической реакцией, а сложным когнитивным процессом, развитым посредством приобретенных стратегий и тактик. Понимание деятельности оператора позволяет описать переход от качественных характеристик к количественным, создать модель интеллектуальной деятельности и разработать соответствующую ЭС. Выделение умственного автоматизма, постановка и решения какой-либо задачи эквивалентны познанию сущности этой задачи и являются необходимой предпосылкой для ее формализации. Общей концепцией в этих случаях является использование ЭС с открытой сетевой структурой, позволяющей наращивать и модернизировать состав блоков для выбора стратегии и последующего подбора тактических приемов, что позволяет уточнить общую концепцию организации, ориентируя ЭС 3–4 уровней на выполнение задач синтеза-анализа в поиске оптимального решения.

Опыт и исследования показывают, что наиболее целесообразным направлением решения этих проблем в АСУ является использование технологии ЭС. Наличие компонента, синтезирующего интеллектуальные решения, позволяет сократить число вариантов для принятия решения, свести к минимуму неполноту и противоречивость в исходной информации. Использование гибридных ЭС, содержащих компоненты многокритериального вывода и обработки не полностью определенной информации, обеспечивает дополнительные возможности рассматриваемого направления, например, за счет генерации новых фактов и знаний путем логического вывода из хранящегося в БЗ набора знаний, внесения изменений и дополнений в ход решения задачи без перепрограммирования имеющихся программ, обеспечения доступа ЛПР к знаниям высококвалифицированных специалистов.

В технологии использования ЭС для выполнения различных функций 3–5 уровня уместно реализовать конструирование гибридных оболочек (пустых ЭС), наполняемых требуемыми из конкретного участка предметной области знаниями. Ввиду большого числа разнообразных задач и функций поддержки и сопровождения здесь невозможно обойтись одним типом оболочки. Поэтому возникает необходимость в использовании инструментальных метаЭС (специальных ЭС, позволяющих создавать необходимые оболочки из типовых модулей для удовлетворения концептуальных потребностей пользователей).

Концепция организации технологии интеллектуальных систем, построенных из гибридных оболочек ЭС, реализуется в предположении, что при решении задач 3–5 уровня требуются разные методы (стратегии, тактики, процедуры). Однако вследствие такого разнообразия и низкой эффективности эксплуатации универсальных оболочек принимается идея использования инструментальной ЭС, синтезирующей специализированные оболочки соответствующего уровня. Это позволяет дать пользователю семейство ЭС. Инструментальная ЭС предназначена для построения (генерации) оболочек ЭС во взаимодействии с пользователем, не имеющим специальных знаний (как у инженера по знаниям и программиста) в области подобного конструирования ЭС.

Литература:

1. Бусленко Н. П. Моделирование сложных систем.– М.: Наука, 1968.

2. Попов Э. В. Экспертные системы: Решение неформальных задач в диалоге с ЭВМ. – М.: Наука, 1987.

3. Сазыкин В. Г. Концепция интеллектуализации системы управления энергоснабжением // Электрические станции. – 1994. – № 4.

4. Перспективы повышения эффективности электроэнергетического комплекса Кубани: монография / В. Г. Сазыкин, А. Г. Кудряков, С. А. Нетребко,
В. В. Пронь. – Краснодар: КубГАУ, 2012.