Диагностика тепловых сетей на основе онтологии повреждений

Опыт создания и эксплуатации систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) показал, что на ряду с их существенными экономическими, социальными и экологическими преимуществами [82,94], обнаружились серьезные недостатки. Самым важным из них, по мнению многих специалистов [2,4,64,78], является низкая надежность элементов СЦТ, и прежде всего тепловых сетей (ТС) .

Низкая надежность элементов СЦТ обусловлена конструктивными недостатками, низким качеством строительства, коррозийными повреждениями трубопроводов и др. Все это приводит к систематическому появлению различного рода аварий и отказов оборудования. Как правило, такие повреждения приводят к значительному материальному ущербу, исчисляемому десятками тысяч рублей.

Величина ущерба зависит от времени восстановительного периода, то есть времени, которое затрачивается на обнаружение и устранение повреждения, а также на восстановление теплоснабжения. Обычно это время измеряется часами, а иногда и десятками часов.

Анализ составляющих ущерба, проведенный в работах [12,20,39,54], позволяет заключить, что величина ущерба от возникновения повреждения на СЦТ нелинейно возрастает при увеличении времени восстановительного периода. Следовательно, для успешного решения задач экономии топливно-энергетических ресурсов и уменьшения ущерба большое значение имеет возможность уменьшения времени восстановления. В этом смысле актуальность оперативности устранения повреждений не вызывает сомнений. Проходящая в России жилищно-коммунальная реформа придает этой задаче государственное значение.

Над решением проблемы быстрого и точного определения мест аварийных повреждений в процессе эксплуатации ТС, как и трубопроводных сетей другого назначения, работают многие специалисты, как у нас в стране, так и за рубежом, о чем свидетельствует многочисленная литература по данному вопросу, опубликованная в виде статей, патентов и авторских свидетельств [9, 12−18,37,42,58,60,70,88,96].

В ходе этих работ сложилось мнение, что для эффективного решения задачи обнаружения повреждений в ТС требуется метод, имеющий следующие свойства.

• Оперативность, которая позволяет достаточно быстро (порядка нескольких минут) определить имеется ли повреждение, к какому типу оно относится и в каком месте оно произошло.

• Точность, которая позволяет локализовать повреждение до метра трубопровода, или, в крайнем случае, до участка.

• Массовость, которая означает применимость этого метода для любых существующих ТС.

• Реальность, которая означает ориентацию метода на уже эксплуатирующиеся ТС с учетом их реальной технической оснащенности.

• Системность, при которой метод может служить основой для создания системы автоматизированного контроля и диагностики .

Однако существующие методы обнаружения повреждений в ТС не обладают всеми перечисленными свойствами в совокупности и оказываются недостаточно эффективными при их использовании для организации контроля и диагностирования реально функционирующих ТС.

Основная причина, по которой существующие методы обнаружения повреждений оказываются недостаточно эффективными, заключается в том, что для них требуется либо уникальное дорогостоящее оборудование, либо достаточно полная и адекватная модель ТС, учитывающая все особенности эксплуатации.

При низком уровне технической оснащенности предприятий, занимающихся эксплуатацией ТС, и невозможности получения точной и полной информации, необходимой для решения задачи, при.

— б менение существующих методов обнаружения повреждений затруднено .

Обслуживающие предприятия находят выход из сложившейся ситуации в привлечении к решению задачи обнаружения повреждений экспертов, опыт и знания которых способствуют эффективному ее решению. Однако при таком подходе результативность диагностики сильно зависит от конкретной личности.

Уменьшить субъективность результатов и зависимость от конкретного человека можно, если формализовать знания эксперта и применить их в автоматизированном решении задачи диагностики. Для этого можно применить современный онтологический подход к решению задачи диагностики, в основу которого положена формализация и аксиоматизация знаний эксперта.

Цель диссертационной работы заключается в разработке, реализации и исследовании метода обнаружения повреждений в ТС, основанного на онтологическом подходе.

Диссертационная работа представляет собой развитие онтологического подхода применительно к решению задачи обнаружения повреждений в ТС. Особенностью развиваемого подхода является наличие лингвистической неопределенности в исходных данных. В настоящее время существует научное направление (теория нечетких реляционных баз данных (БД)) в представлении и обработке информации содержащей неопределенности различного вида. Привлечение основных концепций этой теории в онтологический подход позволяет разработать онтологический метод обнаружения повреждений, и, в конечном итоге, достичь цель работы.

Краткое содержание работы по главам.

В первой главе рассмотрены ТС как объект контроля и диагностирования, выделены их особенности и детально рассмотрены задачи их эксплуатациипроведен анализ существующих методов обнаружения повреждений в ТСрассмотрен онтологический подход к решению задачи обнаружения повреждений в ТС, который позволяет создать метод, всеми требуемыми свойствамисформулированы задачи исследования в рамках онтологического подхода.

Во второй главе рассмотрен математический аппарат для реализации онтологического подхода: для выражения смыслового содержания онтологии повреждений из теории нечетких реляционных БД заимствован математический объект (нечеткое отношение) — рассмотрены операции над нечеткими отношениями и введена операция линейного преобразования, что позволило определить вариант нечеткой реляционной алгебры (алгебру нечетких отношений) — выделены некоторые особые виды нечетких отношенийразработан вариант исчисления для нечетких реляционных БД (исчисление нечетких отношений).

В третьей главе рассмотрены вопросы формализации онтологии повреждений в виде логико-лингвистической моделиконкретизированы синтаксическое и семантическое правила лингвистических переменных, используемых в логико-лингвистических моделях поврежденийрассмотрены средства моделирования модальных понятий естественного языка, такие как модальные логики и меры возможности и необходимостипредложен и развит лингвистический подход к моделированию модальностиприведен пример онтологии повреждений как логико-лингвистической модели.

В четвертой главе разработан онтологический метод обнаружения повреждений, основанный на онтологическом подходе. Для этого формализован синтаксис языка описания онтологии поврежденийпредложены правила трансляции синтаксических конструкций формализованного языка в нечеткие отношения (правила семантической трансляции) — рассмотрена и решена задача обратной трансляции из нечетких отношений в конструкции формализованного языка (задача лингвистической аппроксимации).

В пятой главе выполнено проектирование диагностической советующей системы (ДСС), реализующей онтологический метод обнаружения поврежденийпредложена методика экспериментального исследования процесса диагностики, осуществляемого ДССпроведены экспериментальные исследования и проанализированы их результаты.

В заключении приведены основные выводы и результаты работы.

В приложениях приведены: определения операций над нечеткими отношениямидоказательства утвержденийаппроксимация степеней совместимости нечетких множеств модальными понятиямипример вывода в исчислении нечетких отношенийматематическая модель ТС.

Методы исследований: теория нечетких множествтеория нечетких реляционных баз данныхметоды многомерной геометриитеория гидравлических цепей.

Научная новизна.

Развит применительно к решению задачи обнаружения повреждений в ТС онтологический подход, основанный на аксиоматизации и формализации знаний эксперта в этой области. В рамках этого подхода выполнено следующее.

1. Разработан математический аппарат (варианты алгебры и исчисления для нечетких реляционных БД). В частности получены следующие новые результаты в области представления и обработки нечеткости данных: а) Предложена параметризованная операция над нечеткими отношениями являющаяся обобщением операций концентрирования, растяжения и контрастной интенсификации нечетких множеств, и позволяющая единообразно представлять различные по смысловому содержанию нечеткие лингвистические модификаторы и модальностиб) Предложена нечеткая мера для оценки степени неопределенности нечетких отношенийв) Предложен вариант исчисления для нечетких реляционных баз данных (исчисление нечетких отношений), ориентированный на решение задач диагностики с помощью онтологического подходаг) Исследованы свойства исчисления нечетких отношений и разработана стратегия вывода и доказательства приводящая к эффективному решению задач диагностикид) Предложен и развит подход к лингвистическому моделированию модальных понятий естественного языка, выражающих субъективную оценку эксперта.

2. Разработан формализованный язык для записи онтологии повреждений и правила трансляции текста онтологии в нечеткие отношения.

3. Получено решение задачи лингвистической аппроксимации.

4. Разработан онтологический метод обнаружения повреждений в ТС.

Практическая значимость работы.

1. Выполнено проектирование ДСС, реализующей онтологический метод обнаружения повреждений в ТС.

2. Предложена методика и проведены экспериментальные исследования процесса диагностики с использованием математической модели ТС.

3. Осуществлено внедрение ДСС на МУП «Гортеплосети» г. Белгорода, что позволило сократить величину материального ущерба от возникновения повреждений в целом на 3%.

Достоверность результатов диссертационных исследований обоснована математическими выводами и подтверждается экспериментами с математической моделью ТС и результатами опытно-промышленной эксплуатации ДСС.

Реализация работы. Основные результаты работы использовались :

1) при выполнении хоздоговора № З5/96 от 1 ноября 1996 г. — «Автоматизация процессов контроля и прогнозирования функционирования оборудования тепловых пунктов», заказчик: МУП «Гортеплосети» г. Белгород, исполнитель: Белгородская технологическая академия строительных материалов (БелГТАСМ);

2) при выполнении НИР «Разработка теоретических основ и методики создания интегрированных АСУ в производстве строительных материалов и конструкций» (Отчет о НИР, № госрегистрации 01.95.245, г. Белгород, БелГТАСМ);

3) в учебном процессе на кафедре «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» (ПОВТиАС) БелГТАСМ в курсах дисциплин «Технология разработки программного обеспечения» и «Системы искусственного интеллекта», а также при проведении курсового и дипломного проектирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) онтологический подход к решению задачи обнаружения повреждений в ТС;

2) математический аппарат для реализации онтологического подхода;

3) формализованный язык для описания онтологии повреждений и правила трансляции конструкций языка в нечеткие отношения;

4) онтологический метод обнаружения повреждений в ТС;

5) структура ДСС;

6) методика и результаты экспериментальных исследований процесса диагностики, осуществляемого ДСС для конкретной ТС.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях.

• «Научно-техническая конференция, посвященная 165-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана» (Москва, 1995).

• «Математическое моделирование и информационные технологии» (Белгород, 1997).

Публикации. Основные положения изложены в четырех печатных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 14 6 страницах машинописного текста, списка используемой литературы (123 наименований) — на 11 страницах и пяти приложений на 57 страницах. В работе содержится 34 рисунка и 9 таблиц на 30 страницах.

Основные результаты работы.

1. Развит применительно к решению задачи обнаружения повреждений в ТС онтологический подход. Сущность подхода заключается в использовании знаний эксперта о повреждениях ТС и их конкретных проявлениях. Эти знания, выраженные средствами естественного языка, представляют собой содержательную модель предметной области — неформальную онтологию повреждений. Онтология и описание текущего состояния функционирования ТС являются исходными данными задачи обнаружения повреждений, которая формулируется в виде прямых или обратных компетентных вопросов. Решение задачи находится как результат выполнения следующих этапов: 1) исходные данные погружаются в качестве аксиом в среду какой-либо формальной системы- 2) то, о чем спрашивается в компетентных вопросах, оформляется в виде теорем формальной системы- 3) выполняется вывод или доказательство теорем.

2. Разработан математический аппарат, на основе которого осуществляются вычислительные процедуры. Этот аппарат представляет собой вариант нечеткой реляционной алгебры и исчисления, и предоставляет формальные объекты — нечеткие отношения, которые используются для представления семантической информации, содержащейся в предложениях онтологииоперации над нечеткими отношениями, которые используются для представления лингвистических модификаторов, связок и модальностей, встречающихся в тексте онтологииправила вывода. Предложенное исчисление нечетких отношений позволяет интерпретировать свои теоремы как модели объекта контроля и диагностирования, имеющие различные степени неопределенности. Аксиомы исчисления позволяют задавать априорную информацию об объекте, а четыре правила вывода — выводить или доказывать нечеткие отношения, являющиеся моделями объекта контроля и диагностирования.

3. Рассмотрена возможность формализации неформальной онтологии повреждений и разработан язык позволяющий строго формально описывать онтологию. Особенностью формализованного языка является наличие лингвистических переменных и модальностей, что позволяет формально выразить присущую естественным языкам лингвистическую неопределенность. Лингвистические переменные и их вербальные значения выражают неопределенность типа нечеткость, а модальности — неопределенность типа недостоверность .

4. Разработана процедура семантической трансляции, позволяющее перейти от описания на формализованном языке к исчислению нечетких отношений.

5. Разработан метод обнаружения повреждений в ТС, основанный на онтологическом подходе. Решение задачи обнаружения повреждений в ТС онтологическим методом заключается в описании онтологии повреждений, состояния функционирования ТС и компетентных вопросов на формализованном языкесемантической трансляции этого описания в нечеткие отношения, которые рассматриваются как аксиомы (результаты семантической трансляции онтологии и описания состояния функционирования ТС) и теоремы.

— 175.

ИНОв доказательстве или выводе теорем. В качестве ответа на прямой компетентный вопрос предлагается давать модальное понятие, выражающее уверенность в истинности того, о чем говорится в прямом вопросе. В качестве ответа на обратный компетентный вопрос предлагается давать формулу формализованного языка близкую по смысловому содержанию к результатам вывода. Для нахождения ответов в этих формах сформулирована задача лингвистической аппроксимации, предложен и реализован подход к нахождению ее приближенного решения.

6. Выполнено проектирование диагностической советующей системы, реализующей онтологический метод обнаружения повреждений в ТС.

7. Проведены экспериментальные исследования процесса диагностики с использованием математической модели ТС. Результаты исследований подтвердили работоспособность онтологического метода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе разработан, реализован и исследован онтологический метод обнаружения повреждений в тепловых сетях. Данный метод обладает свойствами: оперативности и системности, поскольку он реализуется средствами вычислительной техники и его реализация в виде диагностической советующей системы используется в комплексе с системой оперативного сбора информации в ТСмассовости и реальности, поскольку в нем используются знания эксперта, учитывающие условия эксплуатации и реальной технической оснащенности конкретной ТСточности, уровень которой зависит только от того насколько точно и в каких терминах выразил свои знания эксперт.

Применение этого метода позволяет сократить время, затрачиваемое на обнаружение поврежденного участка ТС, и значительно снизить негативные последствия от возникающих аварий. Использование онтологического метода возможно в любых реально эксплуатирующихся ТС.