Результат интеллектуальной деятельности: Система информационной поддержки принятия управленческих решений для обслуживающего персонала судовой энергетической установки

Изобретение относится к области электротехники, а именно к мониторингу при эксплуатации судовых энергетических установок, и может быть использовано для оценки уровня функционирования и оптимизации работы энергетического оборудования как на гражданских, так и на военных кораблях, в том числе подводных. Система предназначена для обслуживающего персонала судовой энергетической установки.

Использование системы позволит обслуживающему персоналу получать качественную (достоверную) информацию о режимах работы оборудования, с учетом различных уровней его функционирования, при этом минимизировав время, требуемое для принятия решений по его дальнейшему использованию, благодаря интеллектуальной обработке эксплуатационной информации системой.

Известна «Информационная система» по патенту на полезную модель RU 14093 U1 [1], которая является аналогом заявляемой системы. Информационная система [1] включает в себя вычислительный комплекс, базы данных, содержащих финансовую, конъюнктурную и технологическую информацию, связанные системой обратной связи с исполнительными структурами, блок управления и блок обеспечения, связанные между собой каналами передачи информации, при этом блок управления состоит из блоков сопоставления и оценки информации, блока выработки решений и блока финансового обеспечения, сеть дополнительно содержит связанные блок экспертной оценки, связанный каналами обратной связи с блоком выработки решений и блоком финансового обеспечения, командно-организационный блок, связанный, в свою очередь, с блоками сертификации, подготовки кадров и периферийными исполнительными структурами, а также связанные с блоком управления и соответствующими базами данных блоки технологического, регионального или финансового маркетинга. Система может быть выполнена в виде связанных между собой каналами связи децентрализованных комплексов. Информационная система может быть дополнительно оборудована терминалами пользователей сети.

Недостатком системы [1] является ее специализация для финансовых операций и невозможность применения для обслуживающего персонала судовой энергетики.

Известна «Автоматизированная система мониторинга технического состояния и поддержки принятия управляющих решений по повышению безопасности и надежности комплексов гидротехнических сооружений гидроэлектростанций и иных объектов» по патенту на полезную модель RU 114186 U1 [2].

Недостатком известного аналога [2] является необходимость обязательного присутствия оператора для принятия управленческих решений, что в критических ситуациях - при необходимости быстрого принятия решения может привести к аварийным ситуациям.

Известна «Система прогнозирования неисправностей двигателя», включающая контрольно-управляющий блок, оснащенный микропроцессором, блоком памяти и логической схемой, следящей за изменением состояния контролируемого двигателя по патенту США US 6275765 В1 [3].

Недостатком аналога [3] является то, что он не предназначен для выработки управленческих решений на основе базы знаний или при неопределенности уровня функционирования механизмов и систем двигателя (судовой энергетической установки).

Известен «Способ компьютерного прогнозирования и оценки значений характеристик технической системы, посредством прогнозирующей модели», устройство для реализации которого содержит контрольно-управляющий блок, а также подключенный к нему ряд средств ввода/вывода информации, таких как монитор, принтер, мышь, клавиатура и т.п. В состав контрольно-управляющего блока входят центральный процессор, микросхема памяти - блок данных по контролируемому объекту и схема интерфейса, сопрягающая упомянутые средства ввода/вывода с центральным процессором по международной заявке WO 2005109253 A1 [4].

Недостатком данного устройства [4] и способа его работы является то, что оно предназначено только для мониторинга состояния объекта контроля, без возможности принятия решений по его управлению.

Прототипом заявляемого технического решения является «Система поддержки принятия решений для оперативно-диспетчерского и эксплуатационного персонала автоматизированной сортировочной горки» по патенту на полезную модель RU 98387 U1 [5], содержащая блок источников данных автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП), первый информационный выход которого соединен с первым информационным входом блока обработки и очистки данных, выполненного с возможностью анализа и переработки данных, первый информационный выход которого соединен с первым информационным входом блока базы данных телеметрии, выполненного с возможностью накопления оперативной информации по функционированию контролируемого оборудования, первый информационный выход которого соединен с первым информационным входом блока многомерной базы данных, выполненного с возможностью накопления и хранения долгосрочной информации, второй информационный выход соединен с первым информационным входом блока базы знаний, выполненного с возможностью накопления опыта и знаний, третий информационный выход соединен с первым информационным входом блока контроля параметров устройств, выполненного с возможностью настройки и контроля пороговых значений параметров функционирования оборудования и персонала, четвертый информационный выход соединен с первым информационным входом блока формирования отчетов, выполненного с возможностью отображения текущей информации о состоянии контролируемого оборудования и о работе персонала, пятый информационный выход соединен с первым информационным входом блока интеллектуального анализа параметров устройств, выполненного с возможностью оптимизации планирования и проведения технического обслуживания устройств, при этом блок базы знаний первым информационным выходом соединен со вторым информационным входом блока автоматизированного рабочего места оператора, блок многомерной базы данных первым информационным выходом соединен со вторым информационным входом блока формирования отчетов, блок контроля параметров устройств первым информационным выходом соединен с четвертым информационным входом блока формирования отчетов, вторым информационным выходом соединен с блоком трансляции данных в систему технического диагностирования и мониторинга (СТДМ), первый информационный выход которого соединен с системой СТДМ, а блок интеллектуального анализа параметров устройств первым информационным выходом соединен с третьим информационным входом блока формирования отчетов, первый информационный выход которого соединен с первым информационным входом блока автоматизированного рабочего места оператора.

Недостатком прототипа является невозможность управления объектом контроля и невозможность принятия решений (в том числе автономного принятия решений без участия оператора) с учетом различного состояния элементов объекта контроля. Также недостатком прототипа [5] является отсутствие возможности самообучения. Дополнительно, система, описанная в прототипе, не может быть использована на объектах судовой энергетики, так как предназначена для поддержки принятия решения на сортировочной горке.

Сущность технического решения состоит в следующем: система информационной поддержки принятия управленческих решений для обслуживающего персонала судовой энергетической установки содержит

блок источников данных АСУТП, в качестве которой выступают судовая система управления (ССУ), блок обработки и очистки данных, выполненный с возможностью анализа и переработки данных, блок базы данных телеметрии, выполненный с возможностью накопления оперативной информации по функционированию контролируемого энергетического оборудования, блок многомерной базы данных, выполненный с возможностью накопления и хранения долгосрочной информации, блок формирования отчетов, выполненный с возможностью отображения текущей информации о состоянии контролируемого энергетического оборудования, блок интеллектуального анализа параметров устройств, блок базы знаний, выполненный с возможностью накопления опыта и знаний, блок автоматизированного рабочего места оператора,

система дополнительно содержит блок искусственной нейросети, выполненный с возможностью совокупного анализа множественных источников данных, предсказания их изменений и принятия решений, блок компьютерной симуляции объекта контроля, выполненный с возможностью обработки данных для более точного принятия решений, прогнозирования развития ситуации и визуализации работы энергетического оборудования, блок логической модели, блок принятия решений в условиях неопределенности, выполненный с возможностью оценки вероятностей различных вариантов развития событий и помощи персоналу в принятии решений, блок оповещения персонала и управления АСУТП (или ССУ), выполненный с возможностью автономного выполнения противоаварийных мероприятий, оповещения персонала и управления элементами судовой энергетики,

при этом первый выход блока источников данных АСУТП соединен с первым входом блока очистки и обработки данных, первый выход которого соединен с первым входом блока базы данных телеметрии, первый выход которого соединен с первым входом блока многомерной базы данных, второй выход соединен с первым входом блока формирования отчетов, третий выход соединен с первым входом блока искусственной нейросети, четвертый выход соединен с первым входом блока интеллектуального анализа параметров устройств, пятый выход соединен с первым входом блока компьютерной симуляции объекта контроля, первый выход блока многомерной базы данных соединен со вторым входом блока формирования отчетов, первый выход блока компьютерной симуляции объекта контроля соединен с третьим входом блока формирования отчетов, второй выход блока компьютерной симуляции объекта контроля соединен со вторым входом блока интеллектуального анализа параметров устройств, первый выход блока логической модели соединен со вторым входом блока компьютерной симуляции объекта контроля, первый выход блока искусственной нейросети соединен с третьим входом блока интеллектуального анализа параметров устройств, первый выход блока интеллектуального анализа параметров устройств соединен с четвертым входом блока формирования отчетов, второй выход блока интеллектуального анализа параметров устройств соединен с первым входом блока принятия решений в условиях неопределенности, третий выход блока интеллектуального анализа параметров устройств соединен с первым входом блока оповещения персонала и управления АСУТП, первый выход блока интеллектуального анализа параметров устройств соединен с четвертым входом блока базы знаний двунаправленной связью, второй выход блока базы знаний соединен с первым входом блока автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора, первый выход блока формирования отчетов соединен со вторым входом блока АРМ оператора, первый выход блока принятия решений в условиях неопределенности соединен с пятым входом блока формирования отчетов, первый выход блока АРМ оператора соединен со вторым входом блока оповещения персонала и управления АСУТП.

Предлагаемая система представляет собой экспертную систему, осуществляющую логическую дедукцию с получением необходимых рекомендаций, решений при наличии нечеткой логики и нечеткой входной информации, имеющую возможность воздействия на контролируемый объект. Реализация системы может осуществляться, например, с использованием программной среды Clips.

Технический результат заявляемого технического решения состоит в повышении быстродействия системы при принятии решений, повышении качества принимаемых решений по управлению энергетическим оборудованием.

Введение в формулу изобретения существенного признака: «блок искусственной нейросети, выполненный с возможностью совокупного анализа множественных источниках данных, предсказания их изменений и принятия решений» предназначен для выработки решения о текущем режиме работы оборудования в сложных случаях, которые заранее не могут быть описаны алгоритмически. При этом этот блок выявляет тенденции изменения параметров оборудования с целью раннего обнаружения неполадок.

Признак: «блок компьютерной симуляции объекта контроля, выполненный с возможностью обработки данных» существенно повышает точность принятия решений и прогнозирования развития ситуации, а также позволяет визуализировать работу энергетического оборудования.

Признак: «блок логической модели» предназначен для предоставления сведений о логике взаимодействия и функционирования элементов судовой энергетики.

Признак: «блок принятия решений в условиях неопределенности, выполненный с возможностью оценки вероятностей различных вариантов развития событий и помощи персоналу в принятии решений» предназначен для помощи оператору в принятии решения в сложных ситуациях, и, тем самым, ускоряет процесс принятия решений в критических ситуациях.

Признак: «блок оповещения персонала и управления автоматизированной системой управления эксплуатационным процессом, выполненный с возможностью автономного выполнения противоаварийных мероприятий, оповещения персонала и управления элементами судовой энергетики» предназначен для оптимизации режимов работы энергетического оборудования, а также для предотвращения и минимизации последствий аварийный ситуаций.

На чертежах приведены:

Фиг. 1 - структура заявленной системы;

Фиг. 2 - схема связи системы информационной поддержки с элементами судовой энергетики;

Фиг. 3 - обобщенная блок-схема алгоритма принятия решений

Структура заявленной системы информационной поддержки принятия управленческих решений для обслуживающего персонала судовой энергетики, представленная на фиг. 1, содержит блок источников данных АСУТП (1), блок обработки и очистки данных (2), блок базы данных телеметрии (3), блок многомерной базы данных (4), блок формирования отчетов (5), блок интеллектуального анализа параметров устройств (6), блок базы знаний (7), блок автоматизированного рабочего места оператора (8), блок искусственной нейросети (9), блок компьютерной симуляции объекта контроля (10), блок математической модели (11), блок принятия решений в условиях неопределенности (12), блок оповещения персонала и управления автоматизированной системой управления технологическим процессом (13).

При этом вышеуказанные блоки (1...13) соединены между собой следующими связями:

- первый выход блока (1) соединен с первым входом блока (2) линией связи (1-2);

- первый выход блока (2) соединен с первым входом блока (3), линией связи (2-3);

- первый блока (3) соединен с первым входом блока (4), линией связи (3-4);

- второй выход блока (3) соединен с первым входом блока (5) линией связи (3-5);

- третий выход блока (3) соединен с первым входом блока (9) линией связи (3-9);

- четвертый выход блока (3) соединен с первым входом блока (6) линией связи (3-6);.

- пятый выход блока (3) соединен с первым входом блока (10) линией связи (3-10);

- первый выход блока (4) соединен со вторым входом блока (5) линией связи (4-5);

- первый выход блока (10) соединен с третьим входом блока (5) линией связи (10-5);

- второй выход блока (10) соединен со вторым входом блока (6) линией связи (10-6);

- первый выход блока (11) соединен со вторым входом блока (10) линией связи (11-10);

- первый выход блока (9) соединен с третьим входом блока (6) линией связи (9-6);

- первый выход блока (6) соединен с четвертым входом блока (5) линией связи (6-5);

- второй, выход блока (6) соединен с первым входом блока (12) линией связи (6-12);

- третий выход блока (6) соединен с первым входом блока (13) линией связи (6-13);

- первый выход блока (6) соединен с четвертым входом блока (7) двунаправленной линией связи (6-7);

- второй выход блока (7) соединен с первым входом блока (8) линией связи (7-8);

- первый выход блока (5) соединен со вторым входом блока (8) линией связи (5-8);

- первый выход блока (12) соединен с пятым входом блока (5) линией связи (12-5);

- первый выход блока (8) соединен со вторым входом блока (13) линией связи (8-13).

Блоки (1…13) системы информационной поддержки могут быть реализованы, например, с использованием микропроцессоров, микроконтроллеров, программируемых логических интегральных схем и интегральных схем специального назначения как на одной, так и на нескольких платах, которые могут располагаться в одном корпусе и быть совмещены с персональным компьютером (или могут быть выполнены в виде нескольких модулей, соединенных между собой проводными электрическими или оптоволоконными кабелями). Часть блоков может быть также выполнена в виде отдельных программ, которые выполняются на персональном компьютере.

Связи между блоками (1…13) системы информационной поддержки и между системой информационной поддержки и элементами судовой энергетики могут быть реализованы в виде аналоговых, цифровых, оптических или иных последовательных и(или) параллельных интерфейсов (стандартных), обеспечивающих необходимую пропускную способность, надежность и защиту от помех.

Пример схемы связи системы информационной поддержки с элементами судовой энергетики показан на Фиг. 2, на которой приняты соответствующие обозначения:

- МО - машинное отделение;

- ОВМ - отделение вспомогательных механизмов;

- ЦПУ - центральный пост управления энергетической установкой (место расположения оператора СИП);

- ГД - 1 - первый главный двигатель;

- ГД - 2 - второй главный двигатель;

- ОП - 1 - опорный подшипник первого валопровода;

- ОП - 2 - опорный подшипник второго валопровода;

- УП - 1 - упорный подшипник первого валопровода;

- УП - 2 - упорный подшипник второго валопровода;

- ГРЩ - главный распределительный щит;

- РЩ - распределительный щит;

- ЭК - компрессор;

- ЭД - электродвигатель;

- ДГ - дизель-генератор;

- АСУ ГЭУ - Автоматизированная система управления главной энергетической установкой;

- СИП - Система информационной поддержки принятия управленческих решений для обслуживающего персонала судовой энергетики.

Для сбора информации о функционировании оборудования могут быть использованы следующие датчики, установленные на различных элементах судовой энергетики:

- датчик давления газов в цилиндрах главного двигателя для оценки состояния цилиндро-поршневой группы двигателя;

- датчик давления наддува для оценки параметров рабочего процесса двигателя;

- датчик угла поворота коленчатого вала, позволяет производить оценку фаз газораспределения двигателя;

- датчик состояния подшипников для определения состояния подшипников валопровода;

- датчики, установленные на дизель-генераторе для контроля давления и температуры газов, частоты вращения, вибрации, электрических параметров;

- датчики давления и температуры воздуха в компрессоре для оценки состояния компрессора;

- датчик состояния подшипников для определения состояния подшипников компрессора;

- виброизмерительный датчик для измерения и спектрального анализа вибрации электродвигателя;

- датчик состояния подшипников для определения состояния подшипников электродвигателя и качества их смазки на основе уровня ударных импульсов;

- инфракрасный датчик для дистанционного измерения температуры поверхности технических средств и контактных соединений главных и распределительных щитов.

Работает система информационной поддержки принятия управленческих решений для обслуживающего персонала судовой энергетической установки следующим образом.

Блок источников данных ССУ (1) получает сигналы с датчиков судовой системы управления (ССУ), установленных на энергетическом оборудовании, при необходимости производит фильтрацию и передает полученные значения на блок очистки и обработки данных (2).

Блок очистки и обработки данных (2) осуществляет сбор, сортировку, согласование по времени и обработку полученных данных. Обработка данных заключается в приведении их к общему формату, используемому во всех блоках системы, нормировке и проверке логической корректности.

Блок базы данных телеметрии (3) осуществляет накопление оперативной информации по функционированию контролируемого оборудования и работе обслуживающего персонала, а также предоставление текущих данных по режимам работы оборудования для остальных блоков системы.

Блок многомерной базы данных (4) осуществляет накопление, сортировку и долговременное хранение поступающих данных о работе оборудования и персонала в многомерной базе данных, используемой для удобства и снижения времени доступа к данным.

Блок формирования отчетов (5) предоставляет удобные средства для построения произвольных отчетов в табличном и графическом виде для оператора. При построении отчетов блок (5) использует данные с блока многомерной базы данных (4), блока базы данных телеметрии (3), блока компьютерной симуляции объекта контроля (10), блока интеллектуального анализа параметров устройств и блока принятия решений в условиях неопределенности (12), предоставляя оператору всю совокупность имеющихся данных как о текущем состоянии оборудования, так и о прошлых состояниях в удобном виде.

Блок интеллектуального анализа параметров устройств (6) осуществляет логическую дедукцию с получением необходимых рекомендаций для персонала на основе собираемой с подключенных к нему блоков (3, 9 и 10) информации о текущем состоянии объекта контроля. Дополнительно блок обрабатывает накопленную информацию о работе оборудования, формализует и передает в блок базы знаний (7).

Блок базы знаний (7) осуществляет формализацию знаний и опыта обслуживающего персонала по техническому обслуживанию и ремонту оборудования в виде вариантов решения проблем, соответствующих различным наборам измеряемых и рассчитываемых параметров. При этом блок (7) постоянно накапливает новые знания, поступающие от блока интеллектуального анализа параметров устройств (6), при возникновении различных, не описанных ранее ситуаций в процессе работы системы, тем самым выполняя функцию обучения.

Блок АРМ оператора (8) осуществляет наглядное представление оператору информации о состоянии системы, сформированной блоком формирования отчетов (5), а также предоставляет возможность управления оборудованием и оповещения персонала посредством блока оповещения персонала и управления ССУ (13).

Блок искусственной нейросети (9) осуществляет совокупный анализ множественных источников данных, поступающих от блока базы данных телеметрии, и вырабатывает решение о текущем режиме работы оборудования в сложных случаях, которые заранее не могут быть описаны алгоритмически. Дополнительно, этот блок выявляет тенденции изменения параметров оборудования с целью раннего обнаружения неполадок.

Блок компьютерной симуляции объекта контроля (10) осуществляет расчет неизмеряемых напрямую параметров объекта контроля на основе данных от блока математической модели (11) и истории изменения параметров объекта. Блок (10) может предоставлять как текущие данные об объекте контроля в режиме реального времени, так и производить расчет дальнейшего развития ситуации и прогнозировать последствия принятия решений. Дополнительно, блок (10) предоставляет данные для подробной визуализации объекта контроля для оператора в реальном времени.

Блок логической модели (11) предоставляет сведения о логике взаимодействия и функционирования элементов судовой энергетики.

Блок принятия решений в условиях неопределенности (12) осуществляет помощь оператору в принятии решения в сложных ситуациях, производя оценку вероятностей вариантов развития событий, тем самым ускоряя процесс принятия решений в критических ситуациях.

Блок оповещения персонала и управления ССУ (13) в случае необходимости информирует персонал о возможной опасности и требуемых действиях по скорейшему предотвращению аварийной ситуации. Дополнительно блок оповещения персонала и управления ССУ (13) позволяет управлять режимами работы оборудования с целью оптимизации его работы, либо с целью предотвращения, либо минимизации последствий аварийных ситуаций.

Обобщенная блок-схема алгоритма принятия решений показана на Фиг. 3.

Использование блоков: интеллектуального анализа параметров устройств (16), искусственной нейросети (9), компьютерной симуляции объекта контроля (10) и принятия решений в условиях неопределенности (12) позволяет с использованием логической дедукции формировать управленческие решения.

Использование блока искусственной нейросети (9) позволяет проводить совокупный анализ множественных источников данных и вырабатывать решение в сложных случаях, которые заранее не могут быть описаны алгоритмически. Дополнительно, его использование позволяет выявлять неочевидные тенденции изменения параметров оборудования с целью раннего обнаружения неполадок.

Модульное построение базы знаний позволяет осуществлять постоянное наполнение новыми правилами и знаниями. Использование алгоритма Rete (6) позволяет увеличить быстродействие при принятии решений. Возможность обучения базы знаний позволяет повысить быстродействие при принятии решений в уже происходивших ранее ситуациях, а также вырабатывать более точные решения на основе накопленных за время работы устройства данных, повышая качество принятия решений и уменьшая негативные последствия.

Введение системы оповещения персонала позволяет сократить время, требуемое для информирования персонала о возможной опасности и требуемых действиях по скорейшему предотвращению аварийной ситуации.

Возможность управления режимами работы оборудования позволяет оптимизировать его работу, а также своевременно предотвратить, либо минимизировать последствия аварийных ситуаций.

Автономность принятия решений и выполнения аварийных мероприятий дополнительно повышает быстродействие при принятии требуемых мер для своевременного предотвращения аварии, либо минимизации последствия аварийных ситуаций.

Блок принятия решений (12) помогает оператору в принятии решений в сложных ситуациях, ускоряя процесс принятия решений в критических ситуациях.

Симуляция работы оборудования на основе математической модели позволяет рассчитывать неизмеряемые напрямую параметры объекта контроля и повышает точность и достоверность принятия решений. Дополнительно, симуляция позволяет в удобном виде визуализировать как текущее, так и прогнозируемое развитие ситуации для оператора, сокращая время, требуемое для ознакомления с обстановкой и принятия решений.

Использованные источники

1. Патент на полезную модель РФ: RU 14093 U1 от 27.06.2000, МПК G11B 5/00, «Информационная система».

2. Патент на полезную модель РФ: RU 114186 U1 от 10.03.2012, МПК G06F 17/00, «Автоматизированная система мониторинга технического состояния и поддержки принятия управляющих решений по повышению безопасности и надежности комплексов гидротехнических сооружений гидроэлектростанций и иных объектов».

3. Патент США: SU 6275765 B1 от 14.08.2001; МПК G01M 15/05, G01M 15/00, G06F 19/00, «Система прогнозирования неисправностей двигателя».

4. Международная заявка: WO 2005109253 A1 от 17.11.2005, МПК, МПК G05B 13/04, G06F 11/00, G06F 17/50, «Способ компьютерного прогнозирования и оценки значений характеристик технической системы, посредством прогнозирующей модели».

5. Патент на полезную модель РФ: RU 98387 U1 от 20.10.2010, МПК B61L 17/00, G06F 17/00, «Система поддержки принятия решений для оперативно-диспетчерского и эксплуатационного персонала автоматизированной сортировочной горки» - прототип.

6. Джексон П. Введение в экспертные системы / П. Джексон. - 3-е изд. - М.: Вильяме, 2001.