基于知識圖譜推理及補全的流程行業工藝優化方法研究

苑慶波 朱江

1. 鞍鋼集團關寶山礦業有限公司 遼寧 鞍山 114001；2. 中國科學院沈陽自動化研究所 遼寧 沈陽 110016 3. 中國科學院機器人與智能制造創新研究院 遼寧 沈陽 110016

引言

隨著我國經濟與科技的快速發展，我國的制造業在世界擁有了更多的話語權。而要想把制造業做得更大更強，就離不開基礎行業的發展。冶金工業、化工工業、建材工業、制藥工業等流程行業的重要性越發凸顯，對流程行業的產品及生產過程就提出了更多的要求[1]。因此，流程行業做了很多，例如引入或者研發性能更強的大型設備、采集精確的輔助設備等。這些設備能夠獲得大量的數據，因此通過這些數據，對工藝進行調優，對現代工業具有重要的意義[2]。

目前流程行業中對設備參數的優化節主要是依靠專家多年的工作經驗。通過對某些設備的優化，從而得到一個相對效果較好的產品質量。這種依靠專家系統經驗的優化方法每次添加一臺新的設備就需要進行大規模的探索與求證，即使如此也有可能存在大量的遺漏信息。同時每培養一名流程行業的專家都需要花費大量的人力和時間，而且專家不能實時進行判斷現在狀況下是否應該進行優化，因為很多情況下需要參考幾分鐘前或者幾個小時前的某些指標；同樣造成了專家針對當前情況——參數優化能否及時、優化策略能否為最優策略的困境。因此建立一套智能的面向流程行業工藝的調優工具，對流程行業工藝進行調優與補全，對流程行業具有重要意義[3]。

知識圖譜這一概念是由谷歌公司與2012年正式提出，用來豐富搜索引擎的功能。與傳統的專家系統和知識工程進行比較，知識圖譜以三元組集合表示知識，每個實體都是一個圖中的節點，每個關系都是將節點連接的邊，從而構成了一張巨大、具有關系的圖譜。知識圖譜天然就是用來表達關系，也進一步提供了去研究、聯系實體中的可能。由于這些巨大的優勢，知識圖譜得以快速融合和應用到其他各個領域，如軍事、醫療、公共交通、問答等。同時又由于這些在各行各業的滲入，專家系統、自然語言處理、模糊處理、機器學習、數據庫以及信息抽取等技術又進一步豐富了知識圖譜的構建與應用。而且很多社區共享了大量優質的數據源，讓更多的研究人員從中分析。

由于流程行業的工藝復雜性，目前工藝優化大多是通過專家根據已有的經驗進行參數優化，也會忽視很多設備的指標。在參數優化時，往往會忽略一些其他方面的因素；另一方面，流程行業工藝優化時，僅僅依靠專家多年的經驗有很多優化規則未被發現或者缺少有效的實驗去驗證是否正確，因此會丟失很多良好的優化策略。因此通過構建面向流程行業工藝的知識圖譜，并對工藝進行優化以及補全具有重要的現實意義和較高的工程實用價值。

1 方法總述

基于知識圖譜推理及補全的流程行業工藝優化方法，包括以下步驟：將流程行業中工藝設計的設備、設備標簽、生產產品指標、設備標簽調節量作為實體，構建頭實體－關系－尾實體的三元組結構；基于三元組結構，構建面向流程行業工藝的知識圖譜；獲取設備標簽和生產產品指標的實時數據和歷史數據，并基于知識圖譜，對工藝參數進行調節，以實現工藝優化；所述關系為從工藝調節歷史和異常處理歷史中抽取的關系集，包括：設備與設備標簽的關系、設備標簽與設備標簽調節量的關系、生產產品指標與設備標簽調節量的關系、設備標簽與生產產品指標的關系、設備標簽調節量與設備標簽的關系中的至少一種。

2 優化步驟

將流程行業中工藝設計的設備、設備標簽、生產產品指標、設備標簽調節量作為知識圖譜的實體，從工藝調節歷史和異常處理歷史中抽取關系集，構建頭實體－關系－尾實體的三元組結構。其中，所述實體關系包括設備與設備標簽的關系、設備標簽與設備標簽調節量的關系、生產產品指標與設備標簽調節量的關系、設備標簽與生產產品指標的關系、設備標簽調節量與設備標簽的關系。工藝調節歷史和異常處理歷史中獲取設備的具體型號、設備標簽、設備標簽的工藝安全范圍和生產安全范圍、生產過程中的產品指標、設備標簽調節量、報警機制；獲得設備和設備標簽的對應關系、設備標簽可以突破工藝安全范圍的時機、生產中間量與設備標簽觸發調優的觸發范圍；獲得不同調優策略的等待時間；獲得知識推理的起始觸發條件。

根據知識庫中的三元組構建面向流程行業工藝的知識圖譜；根據流程行業工藝中觸發量的調優順序在三元組中添加優先級，構建出具有優先級的知識圖譜模型。每個三元組（h,r,t）就成為相應的（h,r,t,o），其中，o是h與l指向t的優先級。面向流程行業工藝的知識圖譜是由設備、設備標簽、生產產品指標與設備標簽調節量以及它們之間的聯系組成。給每個三元組添加觸發尾實體的優先級，使得在擁有相同的頭實體和尾實體的三元組，能夠使頭實體指向優先級更高的尾實體，進而觸發工藝優化。觸發調優的最終結果都是在調優工藝流程，因此推理的最終目的是將調優的設備標簽當前值修改為目的值，從而調優生產過程與最終的產成品的質量與數量。知識圖譜的每個環或者線段中都必須包含至少一個設備標簽調節參數的標簽。

如圖1所示，面向流程行業工藝的知識圖譜調優，需要以下步驟：

圖1 知識圖譜調優流程圖

（1）三元組（h,r,t）其中h是設定的觸發條件，根據獲得采集的實時數據和歷史數據，滿足h和r，觸發知識圖譜進行推理，而且包含了優先級構成類似的四元組（h,r,t,o）；

（2）獲得上一次的觸發關系r’，若r’≠ r，則重置該路線擴散出上所有三元組的優先級；

（3）h和r囊括了多個三元組，其中包含三元組（h,r,t1）的優先級o1與三元組（h,r,t2）的優先級o2。當o1 < o2時，獲得尾實體t1作為下一步的觸發實體，執行步驟（4）；若最終未獲得調優規則，選擇尾實體t2繼續執行，直到沒有三元組可以執行；

（4）從步驟（3）獲得的尾實體t1的類型為設備標簽調節量，則對設備參數進行優化，執行步驟（5）；否則以t1為頭實體的三元組（t1，r1，t2）執行步驟（2）。當t2與h相同時，則中止執行該線路，防止執行過程中出現環路；

（5）獲得t1對應的標簽，并獲得該標簽當前值v1，與需要調節到的值v2；將v2與該標簽的上下限進行比較，如果v2調節的值在生產或者安全范圍內則向設備寫入該值；否則重復調節步驟（2）；

（6）降低從觸發實體到執行標簽調節實體，所有經過的所有三元組優先級；其目的是讓同等條件下，相關的三元組都有觸發的可能性，杜絕了某一個三元組一直觸發，而剩余的三元組一直不觸發；把補全并確認的三元組的優先級為最低優先級；同時由于流程行業生產過程具有連續性與延續性，需要在調優后有等待時間。

（7）等待反應時間，若有新的觸發知識圖譜事件，重復步驟（1）；流程行業的工藝每次進行工藝優化需要有一段時間的反應時間，因此每個線路最后的三元組都需要擁有反應時間。

（8）若調節的尾實體標簽t仍有以其為頭實體的三元組，當設備監控值和流程生產過程值持續正常一段時間時，進行回調；降低優先級的目的是讓同等條件下，相關的三元組都有觸發的可能性，杜絕了某一個三元組一直觸發，而剩余的三元組一直不觸發。當頭實體和關系有著對應著多個尾實體，同時這些尾實體的優先級相同時，則表示當前工藝優化情況下，需要將這幾個標簽共同寫入設備中，進行聯合調優或者繼續向下執行。觸發調優的最終結果都是在進行調節工藝流程，優化標簽參數。因此推理的最終目的是將調優的設備標簽從當前值修改為目標值，從而調優生產過程，獲得質量更高與產量數量更多的成品。知識圖譜推理過程中不僅使用設備標簽和生產產品指標的實時數據和歷史數據，同時考慮到它們的上升變化量、下降變化量，進行動態調節等待時間與優化策略。

通過已有的三元組集合，補全知識圖譜。計算出新的工藝優化規則，并通過人工進行確認，并生成三元組。并給確認的三元組添加優先級和等待時間。

補全的知識圖譜三元組在專家進行審核時，認為是錯誤的三元組時，放入集合并給予更大的失敗權重。本補全方法可以對應用在很多知識圖譜方法中。例如可以應用到公式（1）中，對于正確的三元組（h,r,t）和錯誤三元組的距離（h,r,t’）的距離公式為：

其中：γ是邊緣參數，d(h+r,t)是正確三元組的距離；d(h+r,t’)是錯誤三元組的距離；是正確三元組和錯誤三元組的集合。

由于本調節方法，有專家人工的介入，更能判斷出推理出的三元組是正確還是錯誤。對于已經確認為錯誤的三元組，給予更大的距離，使得結果更加符合生產工藝調優的實際需求。修改后的距離公式為：

其中，錯誤三元組（h,r,t’）如果是確認的錯誤的三元組，則同時屬于集合；c是錯誤三元組在被推理出是三元組的次數，m是遠離距離的長度。

最終獲得d（頭實體+尾實體,尾實體）小于一直正確的三元組中，則認為是正確的三元組。

3 結束語

基于知識圖譜推理及補全的流程行業工藝優化方法，可以替代人類專家對流程行業中工藝的控制，提高了流程行業工藝優化的效率與準確性，能夠更加精準、全面的對流程行業工藝過程進行優化。