DE4200260A1

DE4200260A1 - Prozess-evolutionsrechner

Info

Publication number: DE4200260A1
Application number: DE19924200260
Authority: DE
Inventors: Dieter W Dr Ing Vetterkind
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-01-08
Filing date: 1992-01-08
Publication date: 1993-07-22

Description

Zum Zwecke einer flexiblen Darstellung von physikalischen und technischen Prozessen werden im Prozeß-Evolutionsrechner zellulare Automaten (wie man sie z. B. zur Darstellung von hydromechanischen und hydrodynamischen Prozessen oder von chemischen Prozessen bereits kennt) insofern erweitert und verwendet, daß in den zellularen Automaten nicht nur (wie bekannt) lokale Regeln über die nächsten bzw. übernächsten Zellnachbarn benutzt werden, sondern auch nicht-lokale Regeln benutzt werden. Auf diese Weise ist es z. B. möglich, nicht-lokale Ordnungsparameter (z. B. trennende Oberflächen bei Zweiphasenströmung von Flüssigkeit und Dampf) autonom zu modellieren.

Diese erweiterten zellularen Automaten werden in dieser Erfindung metazellulare Automaten genannt. Um ein realistisches Modell abzugeben, werden diese metazellularen Automaten zusätzlich mit den topographischen Eigenschaften (z. B. Wände, Kanäle, Ventile, Gefäße, Stützen, Pumpen, Umgebung) des realen technischen Systems und der in ihm befindlichen Medien (z. B. Wasser, Dampf, Gase) in computerlesbarer Darstellung versehen.

In diesen metazellularen Automaten laufen bei geeignet vorgegebener (symbolisch eingeschriebener) Hardware samt geeigneten Medien (Art, Menge, Einfüllart, physikalischer Zustand) nunmehr physikalische bzw. technische Prozesse ab (z. B. Flüssigkeitsströmung, Verdampfung, Kondensation, Wärmetransport, Druckauf- und -abbau, Wirbelbildung, Grenzflächenausbildung, etc.). Entsprechend den im realen technischen System ablaufenden Prozessen werden in den metazellularen Automaten je nach Vorgabe der Modell-Hardware (z. B. intaktes Gefäß oder Gefäß mit Leck) und nach Vorgabe der im Modell verwendeten Medien nunmehr sowohl ungestört ablaufende oder auch gestörte physikalische/technische Prozesse modellmäßig und autonom ablaufen.

Zum Ablesen dieser im metazellularen Automaten ablaufenden ungestörten oder gestörten Modellprozesse werden vorprogrammierte (oder neuronale) Detektoren (z. B. zum Feststellen einer Flüssigkeitsströmung oder einer Wärmequelle, Wärmesenke oder eines Wärmetransportes) bzw. Extraktoren (z. B. zur Feststellung des Wärmeinhaltes eines kleinen oder größeren Gebietes in einem flüssigkeitsgefüllten Gefäß oder zur Feststellung des mittleren Druckes in diesem Gebiet) verwendet.

Diese abgelesenen Prozeßeigenschaften dienen samt der zugehörigen Zeitmarken zwecks abstrahierender Prozeßdarstellung zum Selbstaufbau von Petri-Netzen. Hierfür gibt es unter den o. g. Detektoren/Extraktoren auch solche, die Ereignisse und Bedingungen (welche aus den metazellularen Automaten abgelesen werden) feststellen zwecks Verwendung beim Aufbau der o. g. Petri-Netze.

Somit steht ein flexibles Modell auf verschiedenen Detaillierungsebenen (metazellularer Automat mit feinem bzw. grobem Gitter) und einer Abstraktionsebene (Petri-Netze) zur Verfügung. In diesem Modell können mit Hilfe vorprogrammierter (oder neuronaler) Operatoren oder Fehlergeneratoren nunmehr gezielte Änderungen in den metazellularen Automaten bezüglich dargestellter Hardware (oder der eingefüllten Medien) vorgenommen werden, so daß gezielt nunmehr andere ungestörte oder gestörte Modellprozesse in den metazellularen Automaten ablaufen (und auch auch die o. g. Petri-Netze abgebildet werden).

Da die mit Hilfe des Prozeß-Modellrechners zu modellierenden physikalischen/technischen Prozesse mit Hilfe der o. g. Operatoren/Fehlergeneratoren zu modellieren und anschließend zu analysieren sind (bezüglich System- und Prozeßzuständen, Fehlerdiagnosen, Prozeßstörungen und Prozeßprognosen), sind eine intelligente Ansteuerung des Modells (über die Operatoren/Fehlergeneratoren) erforderlich über den Modul "Problemerkennung und -erläuterung" (bestehend aus Aspektgenerator, Problemgraph und jeweiliger Arbeitshypothese) sowie eine Prozeßevolution (bestehend aus den parallelen genetischen Algorithmen und der Mehrfach-Flußanalyse im Zusammenwirken mit dem o. g. Modul "Problemerkennung und -erläuterung").

Damit mit Hilfe des Prozeß-Evolutionsrechners für das jeweils in Betracht kommende reale technische System die in diesem System ablaufenden realen physikalischen/technischen Prozesse, über Sensoren und Komponentenzustände (z. B.: Ventil ist geöffnet) in Form aktueller Prozeßdaten gemeldet, mit den (im Prozeß-Evolutionsrechner autonom modellierten) Modellprozessen verglichen und analysiert werden können, findet im Prozeß-Evolutionsrechner ein Vergleich von aktuellem Prozeß (über die aktuellen Prozeßdaten) und Modellprozeß sowie eine (bekannte) Residuenanalyse statt.

Nunmehr ist der Prozeß-Evolutionsrechner in der Lage, automatisch Prozeßzustände, Prozeßdiagnosen, Prozeßprognosen des technischen Systems zu schätzen bzw. zu erstellen und Empfehlungen für steuernde Eingriffe (Aktionen) in das reale technische System abzugeben.

Diese Ausgaben geschehen in Form von Prozeßgraphen, Tabellen, Kurven und einfachen Texten.

Das Zusammenwirken von (hier erweiterten) zellularen Automaten (und die Abbildung der in ihnen ablaufenden physikalischen/technischen Modellprozessen auf selbstaufbauende Petri-Netze) und intelligenter Prozeßsteuerung, Prozeßevolution und Prozeßanalyse ist neu. Insbesondere sind die nach ausführlichen Vorgaben dann autonom ablaufende intelligente Prozeßmodellierung, -evolution und -analyse neu.

Der Prozeß-Evolutionsrechner kann eingesetzt werden z. B. in der Kraftwerkstechnik, Chemietechnik und Sicherheitstechnik zur automatischen Prozeßdiagnose und zur Herstellung von störungsbehebenden oder -begrenzenden Aktionen, und zwar insbesondere als beratender Rechner.

Claims

Die Erfindung besteht aus einem Prozeß-Evolutionsrechner zur Modellierung von physikalischen und technologischen Prozessen mit dem Ergebnis, daß mit seiner Hilfe die zugehörigen Systemzustände, Prozeßgraphen, Diagnosen, Prozeßprognosen sowie Empfehlungen für Aktionen (z. B. fehlerbegrenzende oder fehlerbehebende Maßnahmen) dargestellt bzw. erzeugt werden.
Der Prozeß-Evolutionsrechner ist dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. die Hardware des betrachteten technischen Systems sowie der Komponenten dieses Systems und zusätzlich die in diesem System bzw. in seinen Komponenten befindlichen Medien (z. B. Flüssigkeiten, Dämpfe, Gase, Aerosole, Stäube, Chemikalien) in einem metazellularen Automaten (1), der ein feines Gitter aufweist, computerlesbar mit atomaren Symbolen dargestellt werden
- 2. zusätzlich im metazellularen Automaten (1) auch physikalische elementare Modellteilchen (z. B. Wärme-, Energie-, Druck-, Impuls-Teilchen und Kraft- und Feld-Elemente) computerlesbar dargestellt werden
- 3. im metazellularen Automaten (1) sowohl nach Art der üblichen zellularen Automaten in aufeinanderfolgenden Zeittakten der Zustand eines jeden in einer Gitterzelle (oder an einem Gitterpunkt) befindlichen atomaren/elementaren Teilchens (z. B. Medien- oder physikalisches Teilchen nach A2) abhängt nur von sich selbst und seinen lokalen (z. B. nächsten und/oder übernächsten) Nachbarn oder daß darüber hinaus der Zustand eines (oder mehrerer und insbesondere benachbarter) Teilchen außer von seinem eigenen Zustand auch noch von einer Gruppe anderer (benachbarter oder nicht benachbarter) Teilchen abhängt
- 4. im metazellularen Automaten (1) die nach A1 und A2 definierten Teilchen in je einer Gitterzelle (oder an je einem Gitterpunkt) zu je einem Zeitpunkt je einen von mehreren verschiedenen möglichen Zuständen annehmen können und daß die nach A3 beschriebenen im Zeittakt aufeinanderfolgenden Zustandsübergänge nach lokalen bzw. auch nicht-lokalen Regeln vorgenommen werden
- 5. mit Hilfe von Detektoren/Extraktoren (2) die im metazellularen Automaten (1) nach den vorgegebenen Regeln (A4) ablaufenden physikalischen oder technischen Prozesse beobachtet werden und daß diese Detektoren/Extraktoren (2) die auftretenden Prozeßzustände (z. B. Fließbewegung, Wärmeübergang, Verdampfung, Wirbelbildung), Ereignisse (z. B. Beginn Flüssigkeits-Naturumlauf, Überschreitung Temperatur- oder Druckgrenze, Unterschreitung Flüssigkeits-Niveauhöhe), Prozeßbedingungen (z. B. Flüssigkeit im Behälter läuft nur so lange aus, bis Höhe des Lecks in der Behälterwand erreicht ist), physikalisch-numerischen (z. B. Durchfluß, Menge, Temperatur, Druck, Energiedifferenz) oder technisch-numerischen Werte (z. B. Leckgröße, Behältergröße, Rohrdurchmesser, Wasservorrat) ablesen aus den im metazellularen Automaten ablaufenden Prozessen und zur Weiterverarbeitung bereitstellen
- 6. die von den Detektoren/Extraktoren (2) erhaltenen Prozeßzustände, Ereignisse, Prozeßbedingungen, physikalisch-numerischen und technisch-numerischen Werte im Zusammenhang mit den vom metazellularen Automaten (1) abgegebenen zugehörigen Zeitmarken dazu verwandt werden, um ein (oder mehrere) Petri-Netz (4) neu aufzubauen oder zu korrigieren
- 7. mit Hilfe geeigneter Umrechnungen (Gittervergröberung, Mittelung über Teilchenzahlen und -eigenschaften, Bildung ggf. neuer übergeordneter physikalischer Größen) der metazellulare Automaten (1) samt den in ihm ablaufenden Prozessen abgebildet wird auf einem übergeordneten metazellularen Automat (3), der ein grobes Gitter besitzt und somit bestimmte Prozesse besser ablesbar werden läßt als im untergeordneten ursprünglichen metazellularen Automaten (1)
- 8. der metazellulare Automat (3) ebenfalls die nach A1 bis A4 gekennzeichneten Merkmale und Fähigkeiten hat
- 9. mit Hilfe der nach A7 gekennzeichneten Umrechnungen die Dimensionen des metazellularen Automaten (3) um eine oder mehrere Dimensionen verringert werden kann gegenüber der Dimension des untergeordneten metazellularen Automaten (1)
- 10. mit Hilfe weiterer geeigneter Detektoren/Extraktoren (2) aus dem übergeordneten metazellularen Automaten (3) nach A5 und A6 ebenfalls Zustände, Ereignisse, Bedingungen und numerische Werte abgelesen werden, die mitsamt den Zeitangaben (aus dem metazellularen Automaten (3) verwendet werden, um das (die) Petri-Netz(e) (4) zu vervollständigen oder alternativ in übergeordneter Fassung neu aufzubauen/zu korrigieren
- 11. Mehrfach-Flußanalysen (6) durchgeführt werden von den in den metazellularen Automaten (3), (1) ablaufenden Prozessen zum Zwecke der Prozeßverstehbarkeit, Flußbilanzierung, Darstellung von einfachen und parallelen und gekoppelten Prozessen sowie von physikalischen Prozeßeigenschaften (z. B. Flüssigkeitsströme und Wärmestrom im Wärmeaustauscher); hierzu werden Daten sowohl direkt aus den beiden metazellularen Automaten (1), (3) entnommen als auch Daten über die Detektoren/Extraktoren indirekt entnommen
- 12. zwecks Problemerkennung und -erläuterung (9) sowohl Petri-Netz(e) (4) als auch bei Bedarf die Mehrfach-Flußanalyse (6) ausgewertet werden mit Hilfe eines Aspektgenerators, eines Problemgraphen und geeigneter Arbeitshypothese(n)
- 13. mit Hilfe der in der Problemerkennung und -erläuterung (9) gewonnenen Aspekte, Problemansichten und -erfordernisse sowie Arbeitshypothese(n) nunmehr geeignete Operatoren/Fehlergeneratoren (7) angesteuert werden, welche wiederum auf den metazellularen Automaten (1) oder/und (3) einwirken (und somit ihn verändern und damit auch die in ihm ablaufenden Prozesse)
- 14. alternativ zu A13 oder zusätzlich zu A13 von der Problemerkennung und -erläuterung (9) die parallelen genetischen Algorithmen (5) angesteuert (aktiviert) werden; Aufgabe der parallelen genetischen Algorithmen ist es, ihre eigene Wahl der zu aktivierenden Operatoren/Fehlergeneratoren (7) jeweils zu treffen (in Abhängigkeit von der über die Problemerkennung und -erläuterung (9) erhaltenen Bewertung der zeitlich vorher in dem metazellularen Automaten (1) oder (3) abgelaufenen Prozesse)
- 15. der unter der Problemerkennung und -erläuterung (9) aufgeführte Aspektgenerator aus dem jeweils betrachteten Petri-Netz (4) wahlweise entweder zeitlich vorwärtsschreitend oder zeitlich rückwärtsschreitend folgende Aspekte bei Bedarf extrahiert: Ziel(e)-Aufgaben-Mittel-Aktionen (abwärtsgerichtet); Aktionen-Mittel-Aufgaben-Ziele (aufwärtsgerichtet); Bildung von Separationen/Kombinationen/Hierarchien/Heterarchien im Komplex Ziele/Aufgaben/Mittel/Aktionen; Bildung von Soll/Darf/Kann/Darf-nicht/Kann-nicht-Relationen; Ursache Wirkung (Fehl-)Funktion-Ziel(nicht)-Erreichung
- 16. der unter der Problemerkennung und -erläuterung (9) aufgeführte Problemgraph hat den Zweck, die in anderen Teilen des Prozeß-Evolutionsrechners veranlaßte Struktur von Hypothesen, Entscheidungen und Bewertungskriterien sowie Erfolgskontrolle explizit darzustellen und somit ein intelligentes zentrales Steuerungsorgan zu sein
- 17. die unter der Problemerkennung und -erläuterung (9) aufgeführte(n) Arbeitshypothese(n) sind prozeß- und zielbezogene Hypothesen, die im Rahmen des gerade bearbeiteten Problems speziell angesetzt werden, z. B. Suche der Fehlerursache im Fehlerbaum oder Prognose-Erstellung mit Hilfe des Ereignisbaumes oder Bestimmung des augenblicklichen System- oder Komponentenzustandes mit Hilfe des abstrahierten Prozesses im Petri-Netz und der Ergebnisse der Mehrfach-Flußanalyse
- 18. über dem Sachverhalt nach A7 hinaus der metazellulare Automat (3) autark arbeiten kann (das heißt, auch ohne Hilfe des metazellularen Automaten (1), so daß bei Bedarf u. a. beide eben genannten metazellularen Automaten auch unabhängig voneinander (zeitüberlappend oder sequentiell) ihre übergeordnete bzw. untergeordnete Modellarbeit leisten können)
- 19. in der Ausgabe (8) des Prozeß-Evolutionsrechners die in der Problemerkennung und -erläuterung (9) gebildeten Aspekte, Hypothesen, Problemformulierungen und -lösungen ausgegeben werden können sowie bei Bedarf auch Petri-Netze (4), Mehrfach-Flußanalysen (6), Teile der in den metazellularen Automaten (1), (3) ablaufenden Prozesse unter Angabe der verwendeten Operatoren/Fehlergeneratoren (7) und der zugehörigen Daten der Detektoren/Extraktoren (2) ausgegeben werden können; diese Ausgaben haben die Form von Prozeßgraphen und Primitivtexten und qualitativen und quantitativen (numerischen) Daten; die Ausgaben stellen Prozesse, Systemzustände, Diagnosen, Prozeßprognosen und Empfehlungen für Aktionen (z. B. fehlerbehebende oder fehlerbegrenzende Maßnahmen) dar
- 20. der Prozeß-Evolutionsrechner nicht nur entsprechend A1 bis A19 im Modellbetrieb laufen kann, sondern auch (im off-line- oder im on-line-Betrieb) die von dem betrachteten (realen) technischen System einlaufenden aktuellen Prozeßdaten (10) (Sensordaten, Angaben über Komponentenzustände, Datenprotokolle) mitverarbeitet werden zum Zwecke der Prozeßanalyse (11)
- 21. die unter A20 genannte Prozeßanalyse (11) besteht aus dem Vergleich von aktuellem Prozeß und von Modellprozeß (wovon letzterer im metazellularen Automaten (1) oder (3) abläuft) sowie aus einer Residuenanalyse
- 22. unter Verarbeitung der einlaufenden aktuellen Prozeßdaten (10) wird zusätzlich eine Prozeßklassifizierung (12) vorgenommen, um die Prozeßanalyse (11) zu erleichtern und somit auch schneller zu machen
- 23. aus dem Gedächtnis für gelernte Prozesse (13) entsprechende Daten an die Prozeßklassifizierung (12) geliefert werden, um die Prozeßklassifizierung zu ermöglichen bzw. zu erleichtern
- 24. die Mehrfach-Flußanalyse (6) auch auf die Petri-Netze (4) angewendet wird bei Bedarf
- 25. die Prozeßklassifizierung (12) durchgeführt wird mit Hilfe neuronaler Netze (z. B. selbstklassifizierendes Kohonen-Netz) oder/und klassischer Klassifikatoren (z. B. Kalman-Filter)
- 26. die Dektoren/Extraktoren (2) bestehen aus vorprogrammierten oder alternativ neuronalen Mechanismen zur Erkennung von: Quelle, (aktivem/passivem) Transport, Senke, Kombination, Überspringen, Phasenumwandlung, Druck-, Dichte-, Wärme-, Impuls-, Strömungsverhalten, Kontinuitätsverhalten von Teilchen oder Teilchengruppen im metazellularen Automaten (1) oder (3); sowie zur Erkennung von Bedingungen durch Verknüpfung solcher oder ähnlicher Zustände oder Ereignisse in Bedingungsform und durch Prüfung der vermuteten Bedingungen durch Gegenbeispiele und erweiternde Beispiele (welche ebenfalls eigens zu diesem Zweck in dem metazellularen Automaten (1) oder (2) initiiert werden)
- 27. die Operatoren/Fehlergeneratoren (7) bestehen aus vorprogrammierten oder alternativ neuronalen Mechanismen zur: gezielten Änderung der in dem metazellularen Automaten (1) oder (3) dargestellten Hardware des technischen Systems oder seiner Komponenten bzw. der physikalischen-technischen Anfangs- oder Randbedingungen von Hardware oder Medien