核化工企業(yè)運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 雪，劉 琛

（中核第七研究設(shè)計(jì)院有限公司，太原 030012）

0 引言

核化工企業(yè)的生產(chǎn)過程往往伴隨著危險(xiǎn)的物理化學(xué)變化，與其他行業(yè)相比，生產(chǎn)過程中潛在的不安全因素更多，危險(xiǎn)性和危害性更大，而且一旦發(fā)生事故，容易造成社會(huì)面的恐慌。因此，對(duì)生產(chǎn)操作的安全合規(guī)和及時(shí)準(zhǔn)確的要求更加嚴(yán)格。在運(yùn)行過程中，特別是運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)，要求操作人員快速準(zhǔn)確地按操作規(guī)程完成操作處理，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)變化和運(yùn)行狀態(tài)變化以保證運(yùn)行安全。這對(duì)操作人員的綜合能力和素質(zhì)要求較高，產(chǎn)生誤操作的概率較大，帶來了較大的精神壓力。據(jù)世界核工業(yè)領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)，人因失誤直接或間接肇發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行事故的占比為70%～90%[1]。核化工企業(yè)雖然制定了較為完善的運(yùn)行操作規(guī)程，但實(shí)際執(zhí)行過程中，難以保證操作人員熟練按規(guī)程操作。尤其對(duì)于工作經(jīng)驗(yàn)不足的員工而言，一旦運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生異常，精神高度緊張，無法保證做出準(zhǔn)確判斷并迅速處置，給操作人員帶來了較大的心理負(fù)擔(dān)[2,3]。為降低人因失誤帶來的運(yùn)行故障，提高運(yùn)行安全，對(duì)輔助操作人員決策系統(tǒng)的研發(fā)是非常有必要的。

本文從核化工企業(yè)運(yùn)行優(yōu)化的目標(biāo)出發(fā)，開展運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)，通過規(guī)則推理實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)化規(guī)程、運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)聯(lián)[4]。正常運(yùn)行狀態(tài)下，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析、圖形化展示、規(guī)程的查詢調(diào)取等。當(dāng)狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)，操作人員可快速定位相關(guān)異常處理規(guī)程，并在異常處理過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，輔助操作人員完成異常處理，減輕操作人員的工作壓力，減少人因失誤，提升運(yùn)行安全[5]。

1 目標(biāo)及設(shè)計(jì)原則

1.1 目標(biāo)

通過對(duì)核化工企業(yè)運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)：①運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)；②及時(shí)的規(guī)程調(diào)取呈現(xiàn)，為操作提供提醒和建議；③合理舒適的人機(jī)界面，方便操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)、圖表、規(guī)程的讀取；④操作人員動(dòng)作執(zhí)行情況的檢查。通過運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)的應(yīng)用，提高操作人員的工作效率，降低人因誤操作的發(fā)生率，減少事故的發(fā)生。

1.2 設(shè)計(jì)原則

基于運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的和核化工企業(yè)運(yùn)行的實(shí)際特點(diǎn)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則[6]：

1）實(shí)時(shí)可靠原則，運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)應(yīng)具有較高實(shí)時(shí)性和可靠性，保證操作人員及時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)揮穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)支撐作用。

2）輔助決策原則，運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)只是為操作人員提供輔助建議，不進(jìn)行決策控制。

3）有據(jù)可依原則，運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)給出的意見建議應(yīng)與實(shí)際運(yùn)行規(guī)程內(nèi)容保持高度一致，并對(duì)異常事件的分析診斷具有一定的解釋能力。

4）模塊化原則，運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)各部分功能以模塊化形式組成，各部分相對(duì)獨(dú)立，且不影響已有系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5）實(shí)用可擴(kuò)展原則，運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行開發(fā)，預(yù)設(shè)可用接口，便于數(shù)據(jù)采集，并為后續(xù)系統(tǒng)的維護(hù)升級(jí)預(yù)留空間。

2 技術(shù)路線

系統(tǒng)以辦公常用的windows操作系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象，通過服務(wù)器以客戶端的形式與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接通訊。采用Python語言進(jìn)行后端開發(fā)，其簡(jiǎn)單易學(xué)、用途廣泛，具有非常豐富的工具庫(kù)和插件，可以為后期的功能拓展及二次開發(fā)提供便利。采用漸進(jìn)式前端框架Vue進(jìn)行前端用戶界面的開發(fā)，結(jié)合Electron實(shí)現(xiàn)基于Web生態(tài)的桌面客戶端。

系統(tǒng)以設(shè)置接口的形式從控制系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中提取歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)至自己的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，為數(shù)據(jù)的快速查閱調(diào)取提供支撐。同時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警信號(hào)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生異常報(bào)警，根據(jù)異常數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行分析，調(diào)取相關(guān)操作規(guī)程，提供操作參考。系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為基礎(chǔ)平臺(tái)層、數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)支持層和用戶交互層[7]。

1）基礎(chǔ)平臺(tái)層：系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)層由數(shù)據(jù)庫(kù)和windows系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)庫(kù)采用互聯(lián)網(wǎng)主流、穩(wěn)定可靠的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，支持所有標(biāo)準(zhǔn)SQL數(shù)值數(shù)據(jù)類型和擴(kuò)展數(shù)值數(shù)據(jù)類型，如tinyint、bigint等類型，可以滿足相關(guān)運(yùn)行參數(shù)、文件、計(jì)算結(jié)果的存儲(chǔ)管理和分類查詢、報(bào)告生成等功能需求。

2）數(shù)據(jù)訪問層：系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問層需要訪問不同形式來源的數(shù)據(jù)，包括控制系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)和文件型數(shù)據(jù)。采用MySQL數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，結(jié)合OMR中常用的企業(yè)項(xiàng)目開發(fā)工具Sqlalchemy的數(shù)據(jù)映射進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)的讀取與處理，采用Pathlib模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速檢索，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問查詢功能[8]。

3）業(yè)務(wù)支持層：系統(tǒng)的業(yè)務(wù)支持層需要完成數(shù)據(jù)源的預(yù)處理和數(shù)據(jù)關(guān)系的分析工作。通過接收用戶交互層的指令進(jìn)行信息處理，并將相關(guān)反饋信息傳輸給用戶交互層。系統(tǒng)采用PyEcharts實(shí)現(xiàn)圖表（柱狀圖、折線圖等）在服務(wù)器端的生成，傳輸至用戶前端展示。

4）用戶交互層：系統(tǒng)的用戶交互層是進(jìn)行數(shù)據(jù)圖表展示、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、下達(dá)命令等功能的界面。由用戶在前端進(jìn)行命令的下達(dá)，業(yè)務(wù)支持層執(zhí)行流程，完成邏輯分析。該層的開發(fā)采用Vue和Electron相結(jié)合的形式。Vue作為MVVM庫(kù)具有輕巧、高性能的特點(diǎn)，同時(shí)也是Web前端三大框架之一。Electron作為跨平臺(tái)桌面應(yīng)用開發(fā)框架，可以利用強(qiáng)大的Web生態(tài)進(jìn)行界面開發(fā)，擁有桌面端的原生能力。二者的結(jié)合可以為用戶打造高體驗(yàn)感的桌面程序[9]。

3 系統(tǒng)功能

運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)以核化工企業(yè)實(shí)際運(yùn)行規(guī)程為基礎(chǔ)，通過人機(jī)交互的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)采集、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、規(guī)程顯示指導(dǎo)、異常事件診斷等功能。其中，數(shù)據(jù)信號(hào)采集和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能核化工企業(yè)主控室已具備，設(shè)置對(duì)應(yīng)接口即可。

1）數(shù)據(jù)信號(hào)采集。運(yùn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的采集與處理是運(yùn)行輔助決策的基礎(chǔ)，通過接口實(shí)時(shí)采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性驗(yàn)證。

2）運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)異常運(yùn)行狀態(tài)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，幫助操作人員及時(shí)了解運(yùn)行參數(shù)及工況。

3）規(guī)程顯示指導(dǎo)。包含正常工況操作規(guī)程和異常工況操作規(guī)程，為操作人員的日常運(yùn)行和異常工況處理提供及時(shí)的運(yùn)行操作學(xué)習(xí)指導(dǎo)。

4）異常事件診斷。運(yùn)行工況發(fā)生異常時(shí)，通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊提取異常特征信息，結(jié)合異常工況操作規(guī)程原因分析和專家經(jīng)驗(yàn)判斷是否發(fā)生故障，并給出故障處理操作指導(dǎo)。

圖1 運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of operation aided decision-making system

圖2 運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of the operation aided decision-making system

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)具備的功能將其分為3層：數(shù)據(jù)層、指導(dǎo)層、顯示層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)存放采集到的臨時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。其中，臨時(shí)數(shù)據(jù)指的是在線監(jiān)測(cè)過程中采集到的狀態(tài)監(jiān)測(cè)值、狀態(tài)變化時(shí)提取到的過程參數(shù)等數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)指的是設(shè)定某一段時(shí)間的數(shù)據(jù)。

規(guī)程知識(shí)庫(kù)包括正常工況操作規(guī)程和異常工況操作規(guī)程兩部分。通過經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員對(duì)紙質(zhì)化規(guī)程進(jìn)行碎片化處理后，重新分組組合錄入到規(guī)程知識(shí)庫(kù)中，并進(jìn)行一致性和完整性檢查；確保執(zhí)行邏輯正確，知識(shí)的錄入規(guī)則相同，得出的規(guī)則結(jié)論與紙質(zhì)化規(guī)程一致。

專家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)由不同專家的經(jīng)驗(yàn)經(jīng)過分析匯總后形成的事實(shí)性知識(shí)與啟發(fā)性知識(shí)構(gòu)成[10]，可實(shí)現(xiàn)專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的錄入、刪減以及修改等功能。所有專家經(jīng)驗(yàn)錄入經(jīng)驗(yàn)庫(kù)前，均需要經(jīng)過縝密的評(píng)估、分析、驗(yàn)證，保證經(jīng)驗(yàn)的正確性和適用性。

4 工作流程

根據(jù)運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，建立系統(tǒng)的工作流程。

運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)通過所設(shè)接口從控制系統(tǒng)采集壓力、流量等運(yùn)行數(shù)據(jù)信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性驗(yàn)證后存入?yún)?shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)問題數(shù)據(jù)在人機(jī)界面發(fā)出提醒。通過運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)接口將運(yùn)行狀態(tài)傳輸至運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)，操作人員可通過目錄查找或關(guān)鍵字檢索進(jìn)行操作規(guī)程的查詢，指導(dǎo)運(yùn)行操作。當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)，運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)通過虛假報(bào)警診斷模塊診斷是否為虛假信號(hào)，如溫度異常報(bào)警，可根據(jù)關(guān)聯(lián)參數(shù)進(jìn)行判斷是否為虛假異常；若為虛假信號(hào)，則通過人機(jī)界面對(duì)操作人員進(jìn)行提醒，由操作人員確認(rèn)后，進(jìn)行正常工況操作指導(dǎo)；若是異常信號(hào)，則啟動(dòng)異常分析處理模塊進(jìn)行異常的識(shí)別分析，并將結(jié)果顯示在人機(jī)界面，由操作人員確認(rèn)后，調(diào)用異常工況操作規(guī)程模塊，進(jìn)行異常處理操作指導(dǎo)。

5 結(jié)論

本文給出了在綜合考慮核化工企業(yè)運(yùn)行特點(diǎn)和操作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Python、MySQL、PyEcharts、Vue和Electron等技術(shù)，設(shè)計(jì)了核化工企業(yè)運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)的開發(fā)方案。該系統(tǒng)以生產(chǎn)運(yùn)行的真實(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)化操作規(guī)程和相關(guān)領(lǐng)域的專家經(jīng)驗(yàn)為指導(dǎo)，以直觀的圖形化界面為效果展示，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析、狀態(tài)判斷、規(guī)程指導(dǎo)等功能，為核化工企業(yè)的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供輔助決策的支持。