Новосёлов Ю.В. Применение когнитивной графики в системах

Применение когнитивной графики в системах поддержки принятия решений для
блока компенсации объёма на атомных станциях
Новосёлов Ю.В. NovoselovA500@yandex.ru
Московский энергетический институт
(Технический университет)
Перед человечеством всегда стояла проблема восприятия и осознания большого
объёма информации. Так, например, путешественникам необходимо было помнить большое
количество названий городов, их координат, маршрутов перемещения между ними и т.д..
Чтобы ознакомиться с этой информацией, представленной в виде текста, требовалось
затратить много времени. В связи с этим путешественники стали представлять текстовую
информацию о географическом местонахождении населённых пунктов и других важных
объектов на земной поверхности в виде образов. Впоследствии данные образы стали
называть географическими картами. Такое представление географических данных даёт
возможность отобразить большое количество информации с помощью одного образа,
который позволяет за короткий промежуток времени найти необходимый объект и маршрут
перемещения к нему. Отсюда можно сделать вывод, что графический способ представления
информации даёт возможность эффективно воспринимать и анализировать её.
В дальнейшем, графическое представление информации стало использоваться при
решении задач в различных областях технических наук. Например, для решения системы
уравнений (*) можно использовать графическое представление уравнений, изображённых на
координатной плоскости (рис. 1). Каждое из двух уравнений в графическом виде
представляет собой бесконечное множество точек, расположенных на одной прямой линии.
Решением системы (*) являются координаты точки, входящей в оба множества для двух
уравнений.
Рис. 1. Графическое решение алгебраической системы уравнений
2
С помощью графического образа, представленного на рисунке 1, можно решить
задачу поиска координаты точки пересечения двух прямых на основе образного
представления условия задачи, без использования математических подходов. Именно такой
графический образ, с помощью которого можно решить задачу, и называется когнитивной
графикой.
Когнитивной графикой можно назвать совокупность приемов и методов образного
представления условий задачи, которое позволяет либо сразу увидеть решение, либо
получить подсказку для его нахождения. Необходимо сказать, что существует различие в
работе полушарий мозга человека. Обработка символьной информации производится левым
полушарием мозга человека. Правое полушарие мозга отвечает за обработку образной
информации и интуицию человека [1]. Поэтому, если удачно представить входные данные
какой-либо задачи в виде рисунка, когнитивного образа, то при анализе этой информации
правым полушарием мозга будет включен интуитивный механизм мышления и ответ может
быть найден без сложных вычислений с помощью интуиции человека. Для того чтобы
представить условия задачи в графическом виде подойдет не каждый графический образ, а
только такой, в котором можно удачно сопоставить каждое из условий задачи отдельной
части изображения. Выбранный графический образ должен позволять лицу, принимающему
решение (ЛПР), использовать свойства выбранного абстрактного изображения для
визуального решения поставленной задачи.
Для построения когнитивного образа на первом этапе необходимо тщательно
проанализировать предметную область, в которой исследуются и анализируются сложные
процессы и явления, решаемой задачи. Сложность этих процессов может выражаться в их
многопараметричности, нечеткости шкал измерения свойств, неполноте априорной
информации, ее противоречивости, часто неопределенности отношений между параметрами.
На втором этапе необходимо определить методы сжатия данных. Данный этап называется
графической редукцией. Сжатие информации может осуществляться в двух направлениях
по времени и по количеству параметров. По времени редуцируются данные, которые
характеризуют часто повторяющиеся процессы. Другой тип свертки по количеству
параметров необходим, когда анализу подлежит большое число свойств исследуемого
объекта. На третьем этапе определяются методы графического отображения информации. К
данным методам относятся ассоциация, аналогия, подобие, абстрагирование и т.д. [2]. Целью
этих методов является построение графической метафоры входных данных решаемой задачи.
Графической метафорой называется сопоставление одного или нескольких объектов частям
графического изображения или множеству графических изображений. Если в искусстве
создание образа, в том числе метафорического обычно венчает творческий процесс, то в
3
когнитивной науке (познании) метафора знаменует собой лишь начало мыслительного
процесса. Интуитивный механизм мышления человека позволяет использовать способность
человека улавливать сходство между различными классами объектов и использовать эти
свойства для решения поставленных задач. Сопоставление одного или нескольких объектов
другому объекту или группе объектов и называется метафорой. Она орудие, а не продукт
научного поиска. Когнитивная реальность представляет собой некую интеллектуальную
среду, погружаясь в которую, человек общается не с виртуальными образами реальных (или
придуманных) объектов, а с реальными, мультимедийными образами абстрактных (т.е.
несуществующих в объективной реальности) объектов, понятий, и концепций данной
проблемной или предметной области [3].
Одной из отраслей, в которых находит своё применение когнитивная графика,
является энергетика. Когнитивные образы широко используются для диагностики состояния
атомных станций. В настоящее время большое значение в атомной энергетике имеет
использование Водо-Водяных Энергетических Ректоров (ВВЭР). Обобщённая схема работы
АЭС, использующей ВВЭР, представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Обобщённая схема работы АЭС, использующей ВВЭР
Они применяются для выработки 30% электроэнергии в России. Одной из важнейших
задач при эксплуатации ВВЭР является обеспечение его долговечной работы. Для этого
необходимо обеспечить поддержание работы всех блоков атомной станции в штатном
режиме и своевременно устранять причины аварий. Одним из важнейших блоков первого
контура ВВЭР является компенсатор объёма (давления) (КО). Он предназначен для
компенсации температурных изменений объема воды, заполняющей первый контур
реактора. Атомная станция имеет два контура. Первый контур, реакторный, полностью
изолирован
от
второго,
что
уменьшает
радиоактивные
выбросы
в
атмосферу.
Циркуляционные насосы прокачивают воду через реактор и теплообменник (питание
4
циркуляционных насосов происходит от турбины). Вода реакторного контура находится под
повышенным давлением, так что, несмотря на ее высокую температуру (293 градуса - на
выходе, 267 градусов - на входе в реактор), ее закипания не происходит. Вода второго
контура находится под обычным давлением, так что в теплообменнике она превращается в
пар. В теплообменнике-парогенераторе теплоноситель, циркулирующий по первому
контуру, отдает тепло воде второго контура. 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 циркуляционного контура связанного с водохранилищем, обеспечивает сбор и
конденсацию отработавшего пара. Конденсат, пройдя систему подогревателей, подается
снова в теплообменник. После чего описанный процесс повторяется вновь. Данный процесс
является замкнутым термодинамическим циклом Ренкина. Он представлен на рис. 3, в
системе координат T-S, где S – энтропия, T – температура рабочего тела. Под энтропией
понимается
мера
рассеивания
энергии
(теплоты).
Величина
изменения
энтропии
характеризует изменение теплоты рабочего тела при изменении его температуры на один
градус.
Рис. 3. Термодинамические циклы работы контуров ВВЭР в T-S диаграмме
Для предотвращения различных аварийных ситуаций в первом контуре атомной
станции (АС) используется подсистема компенсации объёма (давления). Она предназначена
для компенсации температурных изменений объема воды, заполняющей первый контур.
Мнемосхема компенсатора объёма изображена на рис. 4. В центре мнемосхемы представлена
ёмкость компенсатора объёма, предназначенная для поддержания в ней необходимого
соотношения воды и пара. Корпус компенсатора имеет водяной и паровой объемы. При
кипении воды в ёмкости КО, объём пара увеличивается быстрее, чем уменьшается объём
воды. Данный процесс может вызвать разрыв корпуса КО, поэтому необходимо
своевременно отслеживать соотношение объёмов воды и пара. Поддержание требуемых
соотношений воды и пара достигается либо путём отвода воды из первого контура в
5
компенсатор объёма, либо при помощи нагревателей, установленных в нижней части
корпуса компенсатора объёма.
Рис. 4. Мнемосхема блока компенсации объёма
Подсистема компенсации объёма содержит 80 контролируемых параметров. Работа
данной подсистемы регламентируется набором из 396 продукционных правил. Большое
количество анализируемых данных, требует значительного времени для их ручной
обработки и принятия решения согласно сложившейся ситуации. Для сокращения времени,
необходимого на принятие решения в конкретной ситуации, необходимо наглядно
представить её. Наиболее быстро человеком читается динамически синтезируемый образ,
построенный на базе измеренных, вычисленных и справочных данных. Хорошо развитый у
человека двумерный и трехмерный механизм распознавания образов, а также чувство
симметрии позволяет очень быстро и эффективно воспринимать и обрабатывать различные
виды данных, если они представлены как зрительные когнитивные образы.
Статическая
составляющая
когнитивных
образов
минимальна.
Основную
информацию несет динамика (цвет, форма, расположение на экране) и ее эволюция.
Наиболее эффективна когнитивная графика для быстрой оценки ситуации в целом, так как
позволяет, не анализируя большого количества разнородных сигналов и их значений, сделать
вывод о ситуации и ее развитии. При построении образов желательно сгруппировать
участвующие в его создании сигналы на однотипные и взаимозависимые. Каждая из этих
групп параметров на экране представляется некоторым графическим когнитивным образом,
несущим определенный технологический смысл и имеющим однозначную технологическую
интерпретацию.
В данной работе решается задача исследования принципов построения когнитивных
образов и разработки когнитивных образов для системы поддержки принятия решений в
задачи диагностики компенсатора объёма первого контура водо-водяного энергетического
реактора. Для системы поддержки принятия решений, производящей диагностику системы
6
компенсации объёма в контуре Водо-Водяного Энергетического Реактора, был разработан
когнитивный образ. Он состоит из двух частей: образа состояния рабочего тела первого
контура, показывающего нагрев рабочего тела в реакторе и охлаждение в парогенераторе, а
также образа состояния рабочего тела во втором контуре ВВЭР в виде цикла Ренкина.
Состояние рабочего тела в основных узлах первого и второго контуров представлено
в виде совокупности однотипных образов крупного морского млекопитающего – кита.
Данные образы перемещаются по траекториям, соответствующим движению рабочего тела в
первом и втором контуре ВВЭР. Первый контур включает три основных блока: реакторный
блок, блок парогенератора и компенсатор объёма. Когда рабочее тело проходит через
реакторный блок, происходит его нагрев. Этот факт отображается на когнитивном образе в
виде изменения цвета кита, проплывающего через участок
когнитивного образа,
соответствующий реакторному блоку. На данном участке цвет кита меняется на красный.
При прохождении рабочего тела через блок парогенератора, на соответствующем участке
когнитивного образа, кит изменяет цвет на синий. Состояние рабочего тела в компенсаторе
объема отображается китом красного цвета, отражающим готовность рабочего тела в
указанном блоке к использованию в первом контуре для компенсации объёма рабочего тела.
Возможный перегрев рабочего тела в реакторе первого контура отображается при помощи
появления у кита фонтана, и чем выше поднимается фонтан, тем значительнее превышение
температуры относительно нормы. В этом случае в первом контуре кит красного цвета с
фонтаном, изображённый на участке блока реактора, направляется на участок компенсатора
объёма, где уровень его фонтана уменьшается до нуля. Место кита из первого контура
занимает кит красного цвета, находившийся до этого на участке компенсатора объёма.
Второй контур ВВЭР состоит из четырёх основных блоков: парогенератора, турбины,
конденсатора, насоса. Для описания состояния рабочего тела в парогенераторе на
когнитивном образе используются два отрезка, остальным блокам сопоставлено по одному
отрезку. Отображение состояния рабочего тела при прохождении через каждый блок
осуществляется с помощью образа крупного морского млекопитающего – кита. Таким
образом, для отображения состояния рабочего тела во втором контуре используется четыре
кита. На рис. 5 представлен когнитивный образ для диагностики системы компенсации
объёма ВВЭР.
Процессу парообразования в парогенераторе второго контура соответствует закраска
верхней части кита жёлтым цветом. Соотношение объёмов пара и воды пароводяной смеси
показано на когнитивном образе в виде уровня воды в ките. Объём пара показан жёлтым
цветом, часть объёма, занимаемая водой, – синим. Возможный перегрев рабочего тела в
парогенераторе второго контура отображается при помощи появления у кита фонтана, и чем
7
выше поднимается фонтан, тем значительнее превышение температуры относительно
нормы. В этом случае в первом контуре кит красного цвета, изображённый на участке блока
реактора, направляется на участок компенсатора объёма. А его место занимает кит синего
цвета, находившийся до этого на участке компенсатора объёма. Так на когнитивном образе
отображается восстановление теплового баланса первого и второго контуров ВВЭР.
Рис. 5. Когнитивный образ для диагностики системы компенсации объёма ВВЭР.
Разработанный
когнитивный
образ
позволяет
проводить
диагностику
блока
компенсации объёма водо-водяного энергетического реактора. Он отслеживает реакцию
компенсатора объёма на внештатное изменение параметров рабочего тела в блоках первого
контура и связанного с ним второго контура.
Для рассматриваемой системы поддержки принятия решений были разработаны
правила описания когнитивного образа. Они позволяют интерпретировать отображаемый
когнитивный образ и делать соответствующие заключения о состоянии объекта контроля.
Описание
когнитивного
образа,
соответствующее
состояниям
теплоносителя,
контролируемого в различных участках контуров АЭС, производится в терминах
продукционной модели знаний. Формат описания правил имеет вид:
W, Cn, Cv, H, N, U → S,
где: W – уровень воды, Cn – цвет нижней части кита, Cv – цвет верхней части кита, H –
высота фонтана, N – номер контура, U – участок контроля, S – заключение о состоянии
объекта контроля и управления.
8
Область значений параметров, отображаемых на когнитивном образе:
1. Уровень воды W
[0,100]%;
2. Цвет нижней части кита Cn = (R, G, B);
где R
[0, 255] – красная составляющая цвета, G
цвета, B
[0, 255] – зелёная составляющая
[0, 255] – синяя составляющая цвета;
3. Цвет верхней части Cv = (R, G, B);
4. Высота фонтана H
5. Номер контура N
[0,100]%;
{1,2};
6. Идентификатор участка графика, на котором находится контролируемый объём
рабочего тела – U.
Для первого контура: U = {(1,2), (2,3), (3,4), (4,1), (A2,1), (1,A1), (A1,A2)}.
Для второго контура: U = {(1,A), (A,B), (B,C), (C,D), (D,2), (2,3'), (3’,3), (3,5), (5,4)}.
7. Заключение о состоянии объекта контроля и управления – S.
Ниже приводится пример правила из базы правил:
(W=100) & (255,0,0) & (0,0,0) & 0 & 1 & (3,4) → «Нагрев воды в реакторе»
Данное правило означает, что контролируемый объём теплоносителя теплоноситель
находится в первом контуре на входе в реакторный блок, температура теплоносителя в
норме (это показано отсутствием фонтана), теплоноситель полностью находится в жидком
состоянии. То есть, происходит «нагрев воды в реакторе».
Разработанный когнитивный образ позволяет провести диагностику компенсатора
объема и оценить ситуацию на предмет необходимости его использования в данный момент
времени для предотвращения нештатных ситуаций в первом контуре ВВЭР.
В заключении хотелось бы еще раз отметить, что система представления информации,
основанная на идеях когнитивной графики, может прийти на помощь лицам, принимающим
решение, которые зачастую испытывают стрессовые перегрузки при работе с большими
объемами информации. Использование систем поддержки принятия решений в сфере
атомной энергетики приведет к экономии бюджетных средств, а своевременно принятые
меры по повышению автоматизации управления атомной станции позволят сократить время
и средства на диагностику и предотвращение аварийных ситуаций.
Литература
1. Вагин В.Н., Головина Е.Ю., Загорянская А.А., Фомина М.В. «Достоверный и
правдоподобный вывод в интеллектуальных системах», Изд-во Физматлит, 2004. - 703 с.
2. Зенкин А.А. Поспелов Д.А. Когнитивная компьютерная графика. -М: Наука, 1991. - 192 с.
3. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Интеллектуальные информационные технологии М.: Издво МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. - 304 с.