Применение интеллектуальных систем для эффективного управления синтезом гипсовых композитов конденсационного твердения на основе природного и техногенного сырья

УДК 004.896

ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИНТЕЗОМ ГИПСОВЫХ КОМПОЗИТОВ КОНДЕНСАЦИОННОГО ТВЕРДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

Б.В. Палюх, д.т.н., профессор; В.Б. Петропавловская, к.т.н., доцент

Представлен способ использования информационных систем и программно-технических продуктов при создании и эффективном управлении синтезом безобжигового композита на основе природного и техногенного сырья. Процесс получения таких композитов, исключающий стадию получения вяжущего вещества путем обжига, требует обеспечения выполнения определенных взаимообусловленных факторов, необходимых для образования кристаллизационной структуры. Поэтому управление синтезом такого композита - сложная многокритериальная задача, требующая создания системы управления взаимосвязанными критериями оптимизации его показателей качества. Описана архитектура системы управления, представлена общая модель управления синтезом безобжигового композита нового поколения в виде структуры, приведена когнитивная карта управления процессом с учетом разработанной иерархии критериев и выделенными комплексами решаемых отдельных задач. Она отражает интерфейс взаимодействия системы с внешним миром, а именно описание комплексного объекта «человек - материал - среда обитания», с позиции получения высококачественных экологически чистых строительных изделий, отвечающих требованиям потребителя, в том числе по безопасности на всех стадиях жизненного цикла готового продукта - от момента его проектирования до момента его утилизации.

Ключевые слова: онтология знаний, управление знаниями, строительное материаловедение, безобжиговые композиты, управление синтезом.

INTELLECTUAL SYSTEMS USING FOR EFFECTIVE MANAGEMENT OF SYNTHESIS OF GYPSUM COMPOSITES OF CONDENSATION CURING BASED ON NATURAL AND TECHNOGENIC RAW MATERIALS Palyukh B. V., Dr. Tech. Sc., Professor; Petropavlovskaya V.B., Ph.D. Tech. Sc., Associate Professor (Tver State Technical University, 22, Quay Nikitin, Tver, 170026, Russian Federation, victoriapetrop@gmail.com) Abstract. The article presents the way of using information systems and program and technical products when creating and effective managing composite synthesis based on natural and technogenic raw materials. Receiving such composites excludes a roasting stage and demands providing certain interdependent factors. They are necessary for formation of crystallizational structure. Therefore management of such composite synthesis is a complex multicriteria problem. It needs creating a control system for interconnected criteria of its quality indicators optimization. The control system architecture is described. The general control model of synthesis of new generation aggregate in the form of structure is provided. The cog-

nitive map of process control is given. It includes the criteria hierarchy and the selected complexes of separate tasks. It reflects the interaction interface of a system and external world. The cognitive map describes complex object "the person - a material - habitat" considering receiving high-quality and environmentally friendly construction products. Created ready-made product meets customer requirements including safety at all life cycle stages, from the moment of its design until its utilization.

Keywords: knowledge ontology, knowledge management, construction material science, composites, synthesis management.

Для решения задач современного научного строительного материаловедения возможно создание интеллектуальных систем, основанных на методах управления знаниями. Знания - это связи и закономерности предметной области, в частности комплексного объекта «человек - материал -среда обитания», полученные в результате практической деятельности и профессионального опыта, позволяющего специалистам-материаловедам ставить и решать задачи направленного синтеза строительных материалов и изделий с заданными показателями качества [1]. Под управлением знаниями понимается совокупность процессов, которые управляют созданием, распространением, обработкой и использованием знаний внутри комплексного объекта «человек - материал - среда обитания». Цель создания системы управления знаниями - эффективная эксплуатация общего ресурса знаний (в отличие от экспертной системы, где осуществляется поддержка одной задачи).

Определяющим признаком развития комплексного объекта «человек - материал - среда обитания» является эффективное использование знаний. Управление знаниями базируется на применении интеллектуальных систем, информационных технологий и ресурсов, ориентированных на следующие фундаментальные процессы.

• Накопление знаний (электронные библиотеки, распределенные БЗ). Важнейшую роль играют хранилища данных - предметно-ориентированные, интегрированные, некорректируемые, зависимые от времени коллекции данных, предназначенные для изучения комплексного объекта «человек - материал - среда обитания». Данные в хранилище не предназначены для модификации и должны быть согласованы во времени.

• Обработка знаний (компьютерное обеспечение групповой работы, классические и новые поисковые технологии, информационно-аналитические системы). В основе должны лежать различные БЗ: продукционного типа, фреймы, семантические сети.

• Распространение знаний о комплексном объекте «человек - материал - среда обитания» (сети Интернет).

• Разработка и реализация проекта технологической среды для предоставления потребителям высококачественных информационных и программно-технических услуг, так как полная реализация идеи применения интеллектуальных систем для решения задач материаловедения невозможна без соответствующей инфраструктуры распро-

странения и обработки знаний об объекте «человек - материал - среда обитания».

Центральным звеном информационного обеспечения систем управления знаниями в области создания строительных материалов нового поколения являются БЗ. В идеале БЗ должны включать все источники знаний. Это означает, что для каждой БЗ должна быть разработана своя онтология знаний, которая определяет и интегрирует все источники знаний.

Онтология знаний включает три уровня:

- верхний уровень (метаонтология) - общие понятия, такие как «сущность», «свойство», «значение», «процесс», «событие», что позволяет системе контролировать синтаксические конструкции понятий предметных областей, которые объявляются наследниками общих категорий;

- онтология предметной области - набор понятий при исследовании процессов и явлений согласно теоретическим основам геоники, а также логические правила, расширяющие семантику предметной области;

- онтология задач - методы преобразования предметной области в процессе решения задач по управлению комплексным объектом «человек -материал - среда обитания»; методы обучения: дедуктивный (от общего к частному), индуктивный (от частного к общему), абдуктивный (от частного к частному).

Сегодня невозможно создавать новые перспективные материалы без современных научных подходов и интеллектуализации средств накопления, обработки и распространения знаний. Использование интеллектуальных систем в рамках развития основ строительного материаловедения позволяет обеспечить научно-технический задел по управлению комплексным объектом «человек - материал - среда обитания».

Одной из задач строительного материаловедения является синтез искусственных строительных композитов на основе теоретических и практических знаний о геологических процессах и законах, позволяющих обеспечить формирование структуры и свойств, присущих идентичным природным композитам.

Примером использования информационных систем и программно-технических продуктов для решения материаловедческой проблемы ресурсо-и энергосбережения может служить проект по созданию и управлению синтезом безобжигового композита нового поколения на основе мономинерального сырья с учетом его генезиса [1-3].

Процесс получения безобжиговых композитов, исключающий стадию получения вяжущего вещества путем обжига сырьевых компонентов - природного или техногенного генезиса, определяется прежде всего протеканием физико-химических взаимодействий, основанных на негидратацион-ном механизме твердения, который требует выполнения следующих условий:

- сближение частиц на расстояние действия химических связей;

- однородность новообразования и подложки;

- наличие в системе частиц, обладающих разной растворимостью;

- наличие приповерхностного слоя раствора, концентрация которого определяется размером частицы [3].

Эти условия взаимосвязаны: чем выше пересыщение раствора, тем больше может быть расстояние между частицами вещества, при котором могут образовываться кристаллизационные структуры, что позволяет получать материал при довольно низких давлениях прессования. Однако такие условия, например для двуводного гипса, способствуют образованию мелкокристаллической структуры с повышенной ползучестью. И наоборот, высокое давление прессования позволяет при поддержании незначительного уровня пересыщения обеспечивать высокую прочность получаемого материала за счет формирования кристаллов оптимального размера (Пат. РФ № 2297399/27 от 05.12.2005, автор В.Б. Петропавловская). Управление синтезом такого композита на всех стадиях его получения - сложная многокритериальная задача, требующая создания системы управления взаимосвязанными критериями оптимизации его показателей качества [4, 5].

Общая модель управления синтезом безобжигового композита нового поколения W может быть представлена как структура вида

W=

где F={Fi}, / = 1,1 - множество показателей качества сырья, полуфабрикатов (сухих порошков, готовой сухой сырьевой смеси, увлажненной сырьевой смеси и др.), готового материала (фактов); Я={^}, ] = 1,3 - множество состояний материала (исходные сырьевые компоненты, промежуточные полуфабрикаты строительного композита, готового продукта на выходе технологического процесса; Ы={Ык}, к = 1, К - множество путей получения готового продукта.

Тогда задача синтеза продукта с заданными показателями качества представляет собой поисковую задачу размерностью /х,/хК. Структуризация задачи поиска нового материала позволяет преобразовать (1) в граф, узлами которого являются элементы а дуги определяются множеством Ы.

Множество терминальных (то есть не связанных с последующими) узлов SÍ6S в графе представляет собой множество исходных сырьевых компонентов.

Построение графа программируется в виде продукционных правил БЗ. Логические операции «И» и «ИЛИ» представляются на графе согласно рисунку 1.

81 81 81

а) б)

Рис. 1. Логические операции: а) «И», б) «ИЛИ»

Обозначим S0 новый продукт с заданными показателями качества; Sí1, St2, St3... - исходные сырьевые компоненты; S1, S2, £3... - промежуточные полуфабрикаты технологического процесса; F1 F2, F3... - показатели качества; М1, М2, Ы3... -пути получения композита (рис. 2).

В качестве исходных сырьевых компонентов St1, St2, St3 могут быть приняты карбонатные или сульфатные горные породы или мономинеральные отходы промышленности в виде отходов и отсевов гипсового камня, отходов камнепиления и др.

Контроль показателей качества ^12, ^13, ..., ^16 на всех этапах создания готового продукта позволяет управлять процессом получения материала с заданными свойствами.

При решении поставленной задачи стадия проектирования выбрана в качестве лимитирующей, определяющей основные эксплуатационные (потребительские) характеристики получаемого ры-

ночного продукта, так как процесс структурообра-зования негидратационных систем определяется прежде всего составом сырьевой смеси.

Анализ композитов как систем осуществлялся на основе построения когнитивной карты (рис. 3) управления синтезом прессованного безобжигового материала, что позволило установить взаимосвязь объектов управления и множественные при-

Рис. 3. Когнитивная карта управления синтезом прессованного безобжигового композита

чинно-следственные отношения между факторами.

На основе разработанной когнитивной карты управления технологией получения безобжигового материала ранжированы структуры критериев оптимизации, затем разработаны процедура одно-критериальной оптимизации процессов по каждой из характеристик материала и процедура многокритериальной оптимизации структуры и свойств безобжигового кирпича (рис. 4).

Использование когнитивной карты позволило определиться с элементарными факторами управления синтезом безобжигового композита (количество фракций или полидисперсных порошков в составе сырьевой смеси, средний диаметр, характеризующий каждую фракцию или полидисперсный порошок, влажность сырьевой смеси и т.д.), с разработкой иерархической структуры критериев. По каждому критерию в отдельных задачах определяются количественные показатели - парамет-

ры. Устанавливаются зависимости между критериями, выявленные методами математического моделирования и (или) статистического анализа.

Они либо представляют собой эмпирические закономерности, либо являются результатами процедур оценки гипотез и взвешивания факторов. Иерархическая структура системы управления синтезом безобжигового композита с оценками ее элементов (рис. 4) построена в соответствии с разработанной иерархией критериев и выделенными комплексами частных задач и служит основой перспективного планирования всего комплекса разработок и отдельных систем управления. Для разных уровней управления синтезом определены ее отдельные составляющие.

Требования к макроуровню (готовому продукту) определяет потребитель (внешняя среда, являющаяся по отношению к безобжиговому композиту (материалу, изделию) - сложной технической системе - надсистемой).

I уровень

Организация системы

II уровень

III уровень

IV уровень

Качество системы

Эволюционная эффективность

I I I

Экономическая эффективность

ТТ

5 8

н

1 г

И И I

Структурные показатели

Физико-химические показатели

Взаимодействие на границе раздела фаз

Рис. 4. Иерархическая структура критериев качества безобжигового гипсового кирпича

Требования к предыдущим уровням определяются с учетом экстенсивных свойств используемых компонентов. Причем совмещаются несколько компонентов, одним из которых является промежуточный структурный компонент, оптимизированный на предыдущем уровне. Таким образом, основные функциональные свойства материала должны повторяться на каждом структурном уровне «полуфабриката» и дополняться с учетом технологических особенностей рассматриваемого уровня, что показано на рисунке 2.

Управление синтезом строительного композита является составной частью общей системы управления и представляет собой систему процессов и процедур по установлению, обеспечению и поддержанию необходимых параметров состояния и структурных характеристик сырья и полуфабрикатов путем целенаправленного воздействия на условия и факторы, определяющие свойства и качество продукта в целом.

Установленные зависимости позволяют описать систему наиболее общим образом и создать на их основе модель управления качеством производства безобжиговых изделий с использованием системного подхода.

Для описания синтеза прессованного безобжигового композита (на примере высококачествен-

ного гипсового прессованного кирпича на основе двуводного гипса) разработана контекстная диаграмма, являющаяся вершиной древовидной структуры и представляющая общее описание процесса и его взаимодействия с внешней средой (рис. 5).

Контекстная диаграмма в данном исследовании моделирует систему управления синтезом безобжигового гипсового композита, представляя композит как систему.

Она отражает интерфейс взаимодействия системы с внешним миром, а именно описание комплексного объекта «человек - материал - среда обитания», с позиции получения высококачественных экологически чистых строительных изделий, отвечающих требованиям потребителя, в том числе по безопасности на всех стадиях жизненного цикла готового продукта - от момента его проектирования до момента его утилизации. При разработке контекстной диаграммы определены субъект моделирования, цель как критерий окончания моделирования, ограничения, налагаемые на объект.

Анализ контекстной диаграммы процесса показывает, что для повышения эффективности производства необходимо организовать управление процессами на всех стадиях создания готового из-

Внешние нормативные документы

Документация,

относящаяся к обеспечению качества продукции

Кривые Компьютерная распределения программа Математическая

модель

Зерновой состав порошков двуводного гипса

Процедура по обеспечению качества продукции

Точка зрения: главный

технолог

Цель: улучшение

процесса по

обеспечению качества

безобжигового

гипсового кирпича

Удельные поверхности порошков

Прочность сырца

Средний диаметр частиц

Прочность готового продукта

Растворимость

Минеральный и фазовый состав

Качество безобжигового гипсового кирпича

Геометрические параметры готового продукт

Программа расчета объемных наполнений

Деформативные характеристики сырьевой смеси

Программа проектирования смеси

Протокол о соответствии качеству

Квалифицированный персонал

Информационное

обеспечение проектирования оптимальной смеси

Лабораторная

Рабочий персонал производства

Рис. 5. Контекстная диаграмма синтеза высококачественного гипсового кирпича

делия (получение сырьевой смеси нормированного зернового состава, оптимально увлажненного пресс-порошка, изделия-сырца с установленными деформативными харатеристиками непосредственно после полусухого прессования и т.д.) с обеспечением оптимизации процессов по каждой из характеристик продукта.

Таким образом, разработанная система управления безобжиговым композитом и использование системного подхода и возможностей информационных технологий и ресурсов для решения такой задачи позволяют не только обеспечить получение продукции широкой номенклатуры, востребованной потребителем, но и организовать максимально эффективный процесс управления на основе правильного распределения информационных потоков.

Литература

1. Палюх Б.В., Виноградов Г.П. Механизмы управления эволюцией организационно-технологической системы // Программные продукты и системы. 2012. № 2 (98). С. 3-8.

2. Danilov A. Methodological principles of the development and quality control of special-purpose building materials. Journ. Scientific Israel - Technological Advantages, 2002, vol. 4, no. 3, pp. 36-42.

3. Петропавловская В.Б., Белов В.В., Бурьянов А.Ф.

Твердеющие кристаллизационные системы на основе порошков двуводного гипса // Строительные материалы. 2007. № 12. С. 46-47.

4. Петропавловская В.Б., Новиченкова Т.Б., Бурьянов А.Ф., Пустовгар А.П. Оптимизация внутренней структуры дисперсных систем негидратационного твердения // Строительные материалы. 2010. № 7. С. 22-23.

5. Петропавловская В.Б., Белов В.В., Новиченкова Т.Б. Регулирование свойств безобжиговых гипсовых материалов // Строительные материалы. 2008. № 8. С. 14—15.

References

1. Palyukh B.V., Vinogradov G.P. Mechanisms of evolution of organizational process systems. Programmnye produkty i sistemy [Software & Systems]. 2012, no. 2 (98), рр. 3-8 (in Russ.).

2. Danilov A. Methodological principles of the development and quality control of special-purpose building materials. Journ. Scientific Israel — Technological Advantages. 2002, vol. 4, no. 3, pp. 36-42.

3. Petropavlovskaya V.B., Belov V.V., Buryanov A.F. Hardening crystallizational systems on the basis of gypsum. Stroitelnye materialy [Constructional materials]. 2007, no. 12, рр. 46-47 (in Russ.).

4. Petropavlovskaya V.B., Novichenkova T.B., Buryanov A.F., Pustovgar A.P. Optimization of interior structure of disperse systems of curing without hydration. Stroitelnye materialy [Constructional materials]. 2010, no. 7, рр. 22-23 (in Russ.).

5. Petropavlovskaya V.B., Belov V.V., Novichenkova T.B. Properties regulation for nonfired gypsum materials. Stroitelnye materialy [Constructional materials]. 2008, no. 8, рр. 14—15 (in Russ.).