吳重光

（北京化工大學(xué)，北京100029）

【系列講座②ITS的目標(biāo)與技術(shù)障礙回顧】

設(shè)計(jì)和開發(fā)ITS系統(tǒng)的目的不是取代有經(jīng)驗(yàn)的教師，而是增強(qiáng)和擴(kuò)展教師的教學(xué)能力，提高教學(xué)效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)教育的個(gè)性化、公平化、網(wǎng)絡(luò)化和終身化。研發(fā)ITS軟件需要跨越下述技術(shù)障礙：人類的知識(shí)是什么？如何由計(jì)算機(jī)軟件識(shí)別和處理？計(jì)算機(jī)如何輔助人類分析、決策、行動(dòng)和自動(dòng)控制？教師和學(xué)生如何學(xué)會(huì)使用ITS？知識(shí)本體是人工智能的“生態(tài)環(huán)境”。ITS專家系統(tǒng)由知識(shí)建模和知識(shí)推理兩大部分組成，知識(shí)推理是專家系統(tǒng)運(yùn)作的“推理引擎”，是實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、智能分析、智能決策和智能行動(dòng)的“利器”。大力開辦技術(shù)培訓(xùn)班是推廣普及ITS的“快速通道”。

1 AI3軟件

AI3是ArtificialIntelligence3（人工智能-3）的簡稱。AI3的基本架構(gòu)可以用來支持和開發(fā)多領(lǐng)域多門類課程的ITS系統(tǒng)。AI3是一個(gè)面向事件的專家系統(tǒng)軟件平臺(tái)，是通用性高、圖形化、可由用戶自定制的軟件平臺(tái)，用于直觀快速地構(gòu)建人工智能“專家系統(tǒng)”應(yīng)用。AI3采用高效、高速和省容量推理算法；定性建?；趪H信息標(biāo)準(zhǔn)，并擴(kuò)展了面向事件的知識(shí)模型的描述能力和應(yīng)用領(lǐng)域；采用正向、反向和雙向三類推理引擎技術(shù)；具備系統(tǒng)和離散雙重推理功能；將第一、第二和第三代專家系統(tǒng)優(yōu)勢互補(bǔ)，混合應(yīng)用；將靜態(tài)和動(dòng)態(tài)知識(shí)圖譜聯(lián)合應(yīng)用，大幅度提高了軟件的自然語言處理工業(yè)應(yīng)用和教學(xué)應(yīng)用的潛力；采用多維信息圖形化結(jié)構(gòu)建模方法，將隱含的信息顯式化，具備直觀、形象、深入淺出、易學(xué)易用等特點(diǎn)；提供自然語言的人/機(jī)信息交互功能；已在大型石油化工過程實(shí)時(shí)故障診斷和監(jiān)控、安全評(píng)估、智能仿真培訓(xùn)和ITS方面應(yīng)用成功。2016年已完成AI3國家版權(quán)局計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記（登記號(hào)：2016SR372689）。在我國新一代人工智能專家系統(tǒng)工具軟件奇缺的態(tài)勢下，AI3軟件對(duì)于迅速在教育領(lǐng)域大規(guī)模普及應(yīng)用ITS技術(shù)具有開創(chuàng)性意義。

AI3的圖形化建模既可以適應(yīng)經(jīng)驗(yàn)方法，也可以實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)圖譜模型的深度學(xué)習(xí)方法。這個(gè)功能設(shè)計(jì)得益于錢學(xué)森大師“從定性到定量綜合集成法”的指導(dǎo)思想。也就是說，對(duì)于初次使用AI3的用戶，可以參照我們通過大量工業(yè)安全評(píng)估實(shí)踐總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)法，特別是HAZOP（危險(xiǎn)與可操作性分析）方法，由簡到繁循序漸進(jìn)，提高知識(shí)圖譜建模能力。在經(jīng)驗(yàn)法基礎(chǔ)上，提供影響矩陣分析方法，以便抓住因果對(duì)偶間的影響關(guān)系構(gòu)建靜態(tài)與動(dòng)態(tài)融合的知識(shí)圖譜，由作者在大量工業(yè)應(yīng)用中總結(jié)得到，簡稱為“影響方程法”，具有簡單易行、直觀方便、可直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)知識(shí)圖譜模型、可實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)+動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)信息深度學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而使用高效推理引擎在知識(shí)圖譜模型中采用因果反事實(shí)推理深度挖掘顯式危險(xiǎn)劇情，自動(dòng)實(shí)施一致性原理、風(fēng)險(xiǎn)和權(quán)重決策分析。換言之，AI3集成了第一、第二和第三代專家系統(tǒng)的功能為一體?？梢越㈩愃朴诙嘀悄荏w于同一個(gè)知識(shí)庫的離散型模型，并且實(shí)現(xiàn)多功能離散推理，又稱多智能體聯(lián)合推理技術(shù)。

AI3中過程系統(tǒng)圖形化領(lǐng)域知識(shí)本體SOM_G（即圖形化劇情對(duì)象模型，詳見AI3使用說明）的基礎(chǔ)是國際標(biāo)準(zhǔn)“工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和集成，包括油氣生產(chǎn)設(shè)施的加工設(shè)備使用壽命數(shù)據(jù)的集成，第2部分：數(shù)據(jù)模型”（ISO15926-2，已采標(biāo)為國家標(biāo)準(zhǔn)）的擴(kuò)展。AI3中方法和任務(wù)知識(shí)本體是國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)“危險(xiǎn)性與可操作性研究（HAZOP研究）應(yīng)用指南”（IEC 61882，已采標(biāo)為國家標(biāo)準(zhǔn)）的擴(kuò)展，即以HAZOP分析方法為核心，將知識(shí)本體模型中的事件區(qū)分為具體事件和概念事件是對(duì)事件屬性分類的重要拓展，AI3允許具體事件和概念事件類型共存和相互轉(zhuǎn)換，可以適應(yīng)定性和半定量模型推理，也包括兩者混合模型推理。因此，最大限度擴(kuò)展了知識(shí)本體模型對(duì)實(shí)際問題的描述能力和應(yīng)用范圍。

AI3模型將基本事件精簡為“原因事件”“中間事件”“影響關(guān)系事件”和“后果事件”四種典型類別，便于理解和使用。

中間事件是廣義事件，不但可以表達(dá)中間關(guān)鍵事件，也可以表達(dá)條件事件或使能事件，也可以是一個(gè)“行動(dòng)”步驟的事件序列，還可以是用戶自定義事件等等。各基本事件的屬性用靜態(tài)知識(shí)本體表達(dá)，采用二維表格方式（軟件對(duì)話框模式）輸入和顯示，具有直觀、形象和便于使用等特點(diǎn)。由各基本事件間影響關(guān)系構(gòu)成的有向網(wǎng)絡(luò)通過圖形化繪制輸入，突出了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化信息流的直觀、形象的顯示。這種將靜態(tài)知識(shí)本體與動(dòng)態(tài)知識(shí)本體圖譜分開（分層）表達(dá)的方法，使得動(dòng)態(tài)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)不會(huì)被靜態(tài)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)混雜表達(dá)時(shí)所導(dǎo)致的思維混亂和視覺干擾，使用時(shí)只要點(diǎn)擊事件圖元即可彈出該事件靜態(tài)屬性表。影響關(guān)系也是事件，因此具有自身的靜態(tài)知識(shí)本體表格化輸入和顯示功能。

知識(shí)本體的圖譜化模型全部采用鼠標(biāo)在桌面上直接繪制，所繪制的離散型和/或系統(tǒng)型知識(shí)圖譜由軟件自動(dòng)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫，用于推理引擎直接實(shí)施多功能推理算法的運(yùn)作。

推理引擎采用作者研發(fā)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速高效推理算法和程序，一舉解決了國外技術(shù)封鎖和關(guān)鍵技術(shù)“卡脖子”問題。在同一模型結(jié)構(gòu)中，可以實(shí)施獨(dú)立通路搜索和獨(dú)立回路搜索，包括“正向”“反向”和“雙向”多功能推理模式。自動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型或離散模型的推理，還可以完成定量知識(shí)圖譜基于梅森公式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问交瘮?shù)值解算。系統(tǒng)模型是指全部模型是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化整體。離散模型是傳統(tǒng)的單個(gè)產(chǎn)生式規(guī)則、分散的定性事件樹、定性故障樹、領(lǐng)結(jié)、網(wǎng)絡(luò)狀模型任意分離表達(dá)的混合體。影響關(guān)系由具體影響和概念影響兩種構(gòu)建，自動(dòng)分辨因果事件對(duì)偶的類型采用不同的邏輯推理方式。推理過程允許采用半定量閾值方法、模糊隸屬函數(shù)方法、時(shí)態(tài)方法、風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)方法、影響度計(jì)算方法和影響歷經(jīng)時(shí)間計(jì)算方法等任何方法，是得心應(yīng)手的推理引擎。

推理結(jié)果完全可以依據(jù)用戶具體需要用組態(tài)方法實(shí)現(xiàn)定制，以便深入詳盡地表達(dá)推理結(jié)果。我們在智能HAZOP軟件CAH中就是采用這種編程方式。AI3設(shè)計(jì)了一種詳盡表達(dá)顯式危險(xiǎn)劇情結(jié)果的二維表方法，同時(shí)通過知識(shí)圖譜的事件顏色標(biāo)記的變化，分辨推理結(jié)果的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)信息。美國著名實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)G2軟件平臺(tái)也采用了類似方法。

AI3采用多維信息圖形化（知識(shí)圖譜化）結(jié)構(gòu)建模和圖形化的用戶人/機(jī)界面，具備直觀、形象、深入淺出、易學(xué)易用等特點(diǎn)。事件采用自然語言文字描述（中文和英文或混合使用均可），輸出解釋和預(yù)測信息也是自然語言的詳盡文字表述。

AI3提供大型過程工業(yè)系統(tǒng)或?qū)崙?zhàn)在線分析、診斷和監(jiān)控能力，提供高精度實(shí)用典型動(dòng)態(tài)仿真案例實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，便于掌握和應(yīng)用專家系統(tǒng)。也就是說，AI3本身就是一種高效智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

AI3是多種人工智能方法和技術(shù)集成融合的專家系統(tǒng)軟件平臺(tái)，其整體概念結(jié)構(gòu)框圖見圖1所示，圖中的雙向箭頭表示相互轉(zhuǎn)換，“+”號(hào)表示聯(lián)合。圖2是AI3軟件啟動(dòng)畫面。圖3是AI3軟件知識(shí)圖譜建模和推理畫面。

圖1 AI3整體概念結(jié)構(gòu)示意

圖2 AI3軟件啟動(dòng)畫面

圖3 AI3軟件知識(shí)圖譜建模和推理畫面

1.1 基于靜態(tài)知識(shí)圖譜模型的AI3應(yīng)用

靜態(tài)知識(shí)圖譜模型對(duì)于“對(duì)稱型知識(shí)”，即具有豐富的數(shù)據(jù)或知識(shí)，完全信息，確定性信息，靜態(tài)，單領(lǐng)域和單任務(wù)，例如：代數(shù)、幾何、物理、化學(xué)等科目，具有很高的ITS應(yīng)用成功率。采用AI3主要有以下四種應(yīng)用。

⑴知識(shí)融合

通過靜態(tài)知識(shí)圖譜可以對(duì)教學(xué)資源依據(jù)化工生命周期數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（ISO15926）進(jìn)行語義標(biāo)注和鏈接，建立以化工過程知識(shí)為中心的教學(xué)資源語義集成服務(wù)。

⑵語義搜索和推薦

靜態(tài)知識(shí)圖譜可以將教師搜索輸入的各類專業(yè)化事件，映射為知識(shí)圖譜，構(gòu)建“知識(shí)地圖”“思維導(dǎo)圖”，準(zhǔn)確表達(dá)滿足學(xué)生需求的標(biāo)準(zhǔn)化信息內(nèi)容。

⑶問答和對(duì)話系統(tǒng)

基于知識(shí)的問答系統(tǒng)將靜態(tài)知識(shí)圖譜表達(dá)為一個(gè)大規(guī)模教學(xué)知識(shí)庫，將學(xué)生的問題轉(zhuǎn)化為多功能推理，對(duì)知識(shí)圖譜自動(dòng)查詢，以自然語言的形式得到教師和學(xué)生關(guān)心問題的答案和相關(guān)信息。

⑷大數(shù)據(jù)分析與決策

靜態(tài)知識(shí)圖譜通過語義鏈接可以幫助理解化工生命周期大數(shù)據(jù)，獲得對(duì)化工大數(shù)據(jù)的洞察，例如：危險(xiǎn)“劇情”風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算、失效概率計(jì)算等，提供決策支持。

1.2 基于靜態(tài)+動(dòng)態(tài)知識(shí)圖譜模型的AI3應(yīng)用

對(duì)于復(fù)雜的過程運(yùn)行系統(tǒng)，僅僅用靜態(tài)知識(shí)圖譜模型無法描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng)問題。AI3提供了針對(duì)動(dòng)態(tài)知識(shí)圖譜的自然語言表達(dá)、圖形化建模和多功能推理功能?？梢杂脕斫鉀Q如下應(yīng)用問題。

⑴復(fù)雜過程系統(tǒng)危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP）

對(duì)過程系統(tǒng)的危險(xiǎn)和人為失誤進(jìn)行因果分析和后果預(yù)測，并且提出安全措施和對(duì)策，詳見本文CAH軟件介紹。

⑵構(gòu)建基于自然語言的經(jīng)驗(yàn)和定性知識(shí)混合模型（知識(shí)庫）

例如：行為樹、事件樹、決策樹、故障樹、領(lǐng)結(jié)、因果事件鏈、因果事件網(wǎng)絡(luò)模型的離散混合模型的圖形化構(gòu)建，直觀、簡明、易學(xué)、易用。

⑶因果反事實(shí)推理

可以用自然語言的任意有實(shí)際意義的引導(dǎo)詞（偏離），對(duì)混合模型實(shí)施高速高效因果反事實(shí)自動(dòng)推理（拉“偏”推理），結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)矩陣計(jì)算和一致性原理“剪枝”獲取自然語言表達(dá)的智能分析、決策和行動(dòng)的指導(dǎo)信息。

1.3 基于大數(shù)據(jù)+靜態(tài)+動(dòng)態(tài)知識(shí)圖譜模型的AI3應(yīng)用

⑴復(fù)雜過程系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線故障診斷

相當(dāng)于將智能HAZOP分析實(shí)時(shí)在線化，隨時(shí)隨刻跟蹤過程系統(tǒng)的運(yùn)行，識(shí)別故障、分析故障，給出推薦的解決方法。

⑵構(gòu)建基于自然語言的經(jīng)驗(yàn)+定性+半定量知識(shí)混合模型（知識(shí)庫）

將過程系統(tǒng)實(shí)時(shí)可觀測的通過以太網(wǎng)傳來的具體事件數(shù)據(jù)與概念事件融合構(gòu)建靜態(tài)+動(dòng)態(tài)知識(shí)圖譜模型。

⑶結(jié)合“偏離閾值”的因果反事實(shí)推理

結(jié)合實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)的因果反事實(shí)模型推理，獲取實(shí)時(shí)故障診斷結(jié)果，即自然語言表達(dá)的智能分析、決策和行動(dòng)的指導(dǎo)信息，是實(shí)現(xiàn)可解釋的人工智能仿真培訓(xùn)的核心技術(shù)，詳見AI3-TZZY智能仿真培訓(xùn)軟件介紹。

1.4 AI3系列軟件適用專業(yè)舉例

AI3智能仿真系列軟件包括專業(yè)版和學(xué)習(xí)版兩種，都與仿真培訓(xùn)軟件無縫連接，以便密切結(jié)合化工實(shí)踐。專業(yè)版用于教師開發(fā)專業(yè)教學(xué)模型和高級(jí)技師培訓(xùn)；學(xué)習(xí)版用于大規(guī)模學(xué)生的初級(jí)和中級(jí)技師培訓(xùn)。特別需要指出，第四次工業(yè)革命亟需的AI應(yīng)用型人才占絕大多數(shù)，AI研發(fā)高級(jí)人才只占少數(shù)。AI3軟件的宗旨是為人工智能技術(shù)大眾化、融入各行各業(yè)和深度應(yīng)用鋪路，實(shí)現(xiàn)啟蒙學(xué)習(xí)和培養(yǎng)領(lǐng)域應(yīng)用型人才。

AI3智能仿真系列軟件主要適用于如下領(lǐng)域和專業(yè)：

⑴化學(xué)工程專業(yè)：包括石油和天然氣加工、高分子材料、應(yīng)用化學(xué)、生物化工、輕化工、精細(xì)化工、制藥、染料、硅酸鹽工業(yè)、食品加工等專業(yè)，實(shí)施AI應(yīng)用技術(shù)+專業(yè)知識(shí)+熟練度+能力訓(xùn)練。

⑵自動(dòng)化與過程控制專業(yè)：AI應(yīng)用技術(shù)+專業(yè)知識(shí)+熟練度+能力訓(xùn)練，AI專家系統(tǒng)、知識(shí)建模、知識(shí)推理及故障診斷驗(yàn)證試驗(yàn)。

⑶安全工程專業(yè)：包括環(huán)境科學(xué)，AI應(yīng)用技術(shù)+專業(yè)知識(shí)+熟練度+能力訓(xùn)練，安全評(píng)估（HAZOP）、故障診斷驗(yàn)證試驗(yàn)。

⑷過程裝備與控制工程專業(yè)：包括能源與動(dòng)力專業(yè)，AI應(yīng)用技術(shù)+專業(yè)知識(shí)+熟練度+能力訓(xùn)練，故障診斷驗(yàn)證試驗(yàn)。

⑸信息、計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能專業(yè)：工業(yè)過程生命周期信息標(biāo)準(zhǔn)、專家系統(tǒng)知識(shí)建模和知識(shí)推理，AI應(yīng)用技術(shù)+專業(yè)知識(shí)+熟練度+能力訓(xùn)練。

⑹企業(yè)安全評(píng)價(jià)工程技術(shù)人員：增強(qiáng)過程系統(tǒng)實(shí)踐知識(shí)、學(xué)習(xí)和實(shí)施各種常用安全評(píng)價(jià)方法，學(xué)會(huì)智能型安全評(píng)價(jià)技術(shù)，例如：HAZOP、故障樹、事件樹、FMEA、如果-怎么樣？和領(lǐng)結(jié)技術(shù)等，在同一圖形化軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)智能化評(píng)價(jià)。

⑺過程工業(yè)監(jiān)控、故障診斷和安全管理技術(shù)人員：增強(qiáng)過程系統(tǒng)實(shí)踐知識(shí)、學(xué)習(xí)和實(shí)施各種常用安全評(píng)價(jià)方法，學(xué)習(xí)和實(shí)施人工智能專家系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用。

⑻危險(xiǎn)化學(xué)品特種作業(yè)的工程師與操作工人：實(shí)施安全操作技能培訓(xùn)、安全操作指導(dǎo)和實(shí)際操作資格考核。

AI3軟件對(duì)于各種核設(shè)施、軍事設(shè)施、防化兵、復(fù)雜戰(zhàn)況指揮、航空航天、火箭軍、海陸空兵棋推演、衛(wèi)星通訊、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件系統(tǒng)安全、后勤供應(yīng)鏈系統(tǒng)安全等軍事領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能化和培訓(xùn)AI應(yīng)用技術(shù)人員具有實(shí)用意義。

2 智能HAZOP-CAH軟件

智能HAZOP-CAH軟件能夠精準(zhǔn)定位“團(tuán)隊(duì)會(huì)議”討論的內(nèi)容和細(xì)節(jié)，提供強(qiáng)有力的桌面圖形化集體討論和事件記錄支持功能。

⑴使每一步討論都便于切中要害。

⑵使每一步討論內(nèi)容都是集體可視的。

⑶使所有討論內(nèi)容都能集體一目了然。

⑷提供集體智慧直觀地修正邏輯錯(cuò)誤和概念錯(cuò)誤的功能。

⑸提供所有討論步驟都可以事后集體檢查和尋蹤功能。

⑹提供經(jīng)會(huì)議討論確定的內(nèi)容提示和“加鎖”保護(hù)功能。

⑺圖形化討論結(jié)果就是知識(shí)本體模型，可立即實(shí)施基于人工智能的自動(dòng)推理，進(jìn)行完備高效的危險(xiǎn)劇情預(yù)測，可以每秒自動(dòng)揭示2000000～10000000危險(xiǎn)傳播路徑，提高了評(píng)估質(zhì)量免除了大量的人工不可能完成的重復(fù)勞動(dòng)。

⑻提供所有結(jié)果危險(xiǎn)劇情圖形化（知識(shí)圖譜）可視方式，逐條集體討論修改、確認(rèn)和審定功能。

⑼提供所有結(jié)果報(bào)表可視化集體修改和審定功能。

⑽提供基于半定量風(fēng)險(xiǎn)的保護(hù)層分析（LOPA）功能。

2.1 智能HAZOP-CAH軟件概述

人工智能+HAZOP分析軟件CAH（Computer AidedHAZOP）是國家863項(xiàng)目成果，由北京思創(chuàng)信息系統(tǒng)有限公司開發(fā)。該軟件完全融入了經(jīng)過改進(jìn)和擴(kuò)展的領(lǐng)域知識(shí)本體（簡稱為SOM/SOM_G），以及過程危險(xiǎn)分析的“方法和任務(wù)知識(shí)本體”。配合作者提出的高效推理算法研發(fā)的推理引擎，通過圖形化人機(jī)界面，構(gòu)建了一個(gè)完整的人工智能HAZOP專家系統(tǒng)平臺(tái)。配套的兩本技術(shù)指南已經(jīng)于2012年由中國石化出版社出版發(fā)行，如圖4所示。

圖4 人工智能+HAZOP分析軟件CAH和配套指南

CAH自動(dòng)推理機(jī)制和人工分析是完全（100%）相同的，所不同的是要求分析小組必須建立被分析目標(biāo)系統(tǒng)的圖形化SOM_G模型，而且該模型的建立必須體現(xiàn)分析小組的集體智慧。建?？此贫嗔艘豁?xiàng)額外的工作，其實(shí)不然。因?yàn)榻Ｋ枰膬?nèi)容在人工分析過程中實(shí)際上都涉及到了，除非人工分析不遵循規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。大量的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，高質(zhì)量的SOM_G模型使得自動(dòng)評(píng)價(jià)保留了全部過程內(nèi)容信息和結(jié)構(gòu)信息，核查人員完全可以事后對(duì)安全分析的全過程跟蹤檢查、完全可以反復(fù)進(jìn)行分析和修正、完全可以中途換人繼續(xù)或繼承以前的分析，更不用說它的高效、快速、省時(shí)、省力之優(yōu)點(diǎn)了。

2.2 智能HAZOP-CAH軟件的結(jié)構(gòu)

CAH軟件平臺(tái)采用了以事件為中心的圖形化建模方式，將危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的資料搜集階段和建模階段的工作統(tǒng)一起來，即在軟件平臺(tái)的提示和引導(dǎo)下圍繞著“事件”這一核心，完成資料信息輸入之后則建模的50%～70%工作也自然完成。圖5表達(dá)了多引導(dǎo)詞智能化危險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)，可明顯看出軟件采用了以關(guān)鍵事件為中心的工作機(jī)制。軟件針對(duì)事件設(shè)置了5個(gè)屬性，即：設(shè)備描述、參數(shù)及引導(dǎo)詞、根原因、不利后果和保護(hù)層。為了幫助使用者準(zhǔn)確地填寫屬性，提供了相關(guān)的知識(shí)庫、信息庫或數(shù)據(jù)庫。使用者在調(diào)查清楚實(shí)際工廠在該事件處所的安全措施后，僅需點(diǎn)擊相應(yīng)選項(xiàng)即可（如果沒有，則無需填入信息），甚至省去了文字輸入之勞。

圖5 多引導(dǎo)詞自動(dòng)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件平臺(tái)CAH的結(jié)構(gòu)

軟件要求原因和不利后果事件必須是確切且單一的事件，并且是發(fā)生頻率高、危險(xiǎn)級(jí)別高的事件，其設(shè)置有一定的經(jīng)驗(yàn)和技巧。所有事件信息確認(rèn)后進(jìn)入多重條件SOM定性模型建模環(huán)境。主要任務(wù)是將每兩個(gè)事件之間涉及多引導(dǎo)詞的相互影響關(guān)系，通過小組集體討論確定后，以方便簡單的圖形引導(dǎo)方式構(gòu)造SOM模型。為了防止遺漏，軟件提供影響關(guān)系矩陣輔助功能。

多引導(dǎo)詞SOM模型建成后，或部分模型建成后，都可以進(jìn)入自動(dòng)定性推理試驗(yàn)過程。這是自動(dòng)分析的優(yōu)點(diǎn)之一，人工分析難于反復(fù)試驗(yàn)，因?yàn)樘馁M(fèi)時(shí)間和精力。軟件允許在任意事件點(diǎn)設(shè)置任意偏離。軟件針對(duì)不同種類的條件采用不同的定性推理方法，即約束推理、傳播推理、多邏輯關(guān)系推斷推理等。

當(dāng)確認(rèn)自動(dòng)定性推理結(jié)果滿意后，進(jìn)入分析結(jié)果處理程序。軟件提供3種顯示和處理模式如下：

⑴危險(xiǎn)劇情傳播路徑圖示

提供直觀形象的危險(xiǎn)劇情信息。通過危險(xiǎn)劇情可以準(zhǔn)確定位現(xiàn)有安全措施，進(jìn)而分清現(xiàn)有安全措施中何為獨(dú)立保護(hù)層，何為非獨(dú)立保護(hù)層。非獨(dú)立保護(hù)層降低風(fēng)險(xiǎn)的作用較差。危險(xiǎn)劇情還可以幫助確定建議安全措施的“獨(dú)立性”定位問題，即不但要提出恰如其分的安全措施建議，還應(yīng)確定安全措施安裝在什么位置才能最起作用。我們發(fā)現(xiàn)，這些重要因素在人工危險(xiǎn)評(píng)價(jià)中幾乎都沒有考慮，事實(shí)上也無法考慮。

⑵危險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果處理

與IEC-61882標(biāo)準(zhǔn)的HAZOP報(bào)表相比，可以在報(bào)表中加入危險(xiǎn)劇情信息、風(fēng)險(xiǎn)矩陣分級(jí)信息、半定量發(fā)生頻率信息、半定量影響度信息、半定量響應(yīng)時(shí)間信息。在此基礎(chǔ)上，可以將報(bào)表逐行展開采用保護(hù)層分析（LOPA）的方法分析現(xiàn)有安全措施風(fēng)險(xiǎn)降低的水平和建議措施的風(fēng)險(xiǎn)降低綜合設(shè)計(jì)。分析小組可以對(duì)報(bào)告內(nèi)容任意修改或補(bǔ)充。

⑶自動(dòng)生成并打印HAZOP分析報(bào)表

提供簡單的選項(xiàng)對(duì)話框，通過方便的選擇對(duì)報(bào)表內(nèi)容進(jìn)行組態(tài)，既可以輸出簡單的報(bào)表格式，也可以輸出信息量多的報(bào)表格式，例如：原因到原因（CBC）表、偏離到偏離（DBD）表、純安全措施表、領(lǐng)結(jié)表等。

2.3 智能HAZOP-CAH軟件的特點(diǎn)

CAH軟件的特點(diǎn)是能夠精準(zhǔn)定位“團(tuán)隊(duì)會(huì)議”討論的內(nèi)容和細(xì)節(jié)，提供強(qiáng)有力的桌面圖形化集體討論和記錄支持功能?？梢允姑恳徊接懻摱记兄幸?，使每一步討論內(nèi)容都是集體可視的，使所有討論內(nèi)容都能集體一目了然，提供集體智慧直觀地修正邏輯和概念錯(cuò)誤功能，提供所有討論步驟都可以事后集體檢查和尋蹤功能，提供經(jīng)會(huì)議討論確定的內(nèi)容提示和“加鎖”保護(hù)功能；一旦圖形化團(tuán)隊(duì)會(huì)議完成，圖形化討論結(jié)果就是定性模型，可立即實(shí)施基于人工智能的自動(dòng)推理，進(jìn)行完備高效的危險(xiǎn)劇情搜索，即知識(shí)圖譜結(jié)構(gòu)信息的深度學(xué)習(xí)。這樣，大大提高了結(jié)果的完備性和精準(zhǔn)度，免除了大量重復(fù)勞動(dòng)；提供所有危險(xiǎn)劇情圖形化可視方式逐條集體討論修改、確認(rèn)和審定功能；提供所有結(jié)果報(bào)表可視化集體修改和審定功能。CAH可以將多種危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法集成，優(yōu)勢互補(bǔ)；軟件提供可擴(kuò)展的知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫支持，有利于使用和評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)的積累。

CAH軟件所集成的主要危險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)是將最常用的檢查表法、“如果-怎么樣？”法、定性事件樹、定性故障樹、“領(lǐng)結(jié)”法、HAZOP和LOPA方法聯(lián)合集成應(yīng)用，優(yōu)勢互補(bǔ)；允許任意多種引導(dǎo)詞分析，大大擴(kuò)展了HAZOP的危險(xiǎn)評(píng)價(jià)能力和范圍；將危險(xiǎn)劇情的概念貫穿于危險(xiǎn)分析的全過程，不但有利于實(shí)現(xiàn)完備的精準(zhǔn)的分析，而且大大提高了分析結(jié)果的實(shí)用性、可審查性和可擴(kuò)展性；將HAZOP國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（IEC61882）引入“幫助”菜單隨時(shí)參考；將風(fēng)險(xiǎn)矩陣集成在HAZOP分析中；將根原因分析方法（RCA）引入初始原因知識(shí)庫；將使能事件和條件事件引入危險(xiǎn)劇情分析；提供在自動(dòng)完成的HAZOP結(jié)果中實(shí)施簡明的LOPA分析功能；可選用“影響度”表達(dá)節(jié)點(diǎn)間的半定量影響程度，并自動(dòng)計(jì)算全劇情“影響度”；可選用人員“響應(yīng)時(shí)間”表達(dá)節(jié)點(diǎn)間的“行動(dòng)響應(yīng)時(shí)間”，并自動(dòng)計(jì)算全劇情“響應(yīng)時(shí)間”；將獨(dú)立保護(hù)層（IPLS）的識(shí)別、審定和半定量計(jì)算引入HAZOP和LOPA分析；應(yīng)用“如果-怎么樣？”（What-if？）的基礎(chǔ)判別方法識(shí)別、表達(dá)和確認(rèn)關(guān)鍵事件間影響關(guān)系；可直接應(yīng)用專用“雙引導(dǎo)詞”和“8引導(dǎo)詞”HAZOP方法評(píng)價(jià)操作規(guī)程；HAZOP報(bào)表可以按不同企業(yè)和組織的要求任意組合；將人員因素導(dǎo)致的危險(xiǎn)分析方法引入HAZOP分析過程；將工程常用安全分析數(shù)據(jù)，例如：初始原因頻率、后果嚴(yán)重度、常用保護(hù)層信用度等數(shù)據(jù)引入數(shù)據(jù)庫（包括主要數(shù)據(jù)的確定規(guī)則）以便參考；將針對(duì)過程工業(yè)常用變量（參數(shù)）的常用引導(dǎo)詞引入知識(shí)庫，提供參考；將工業(yè)常見的安全措施科學(xué)分類后引入知識(shí)庫，供用戶選擇。

2.4 智能HAZOP-CAH軟件的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用

本軟件的前期研發(fā)工作是國家863項(xiàng)目，獲得了國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局頒發(fā)的科技成果一等獎(jiǎng)。面向工業(yè)應(yīng)用，北京思創(chuàng)信息系統(tǒng)有限公司已經(jīng)使用CAH軟件為企業(yè)完成了大型煉油各種裝置、大型乙烯、合成氨、氯堿、聚丙烯、烷基化、苯乙烯、芳烴、甲醇、煤氣化、PTA（精對(duì)苯二甲酸）、LNG（液化天然氣）、鍋爐、污水處理裝置等近千項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助深度HAZOP評(píng)價(jià)項(xiàng)目。通過100多期技術(shù)培訓(xùn)班，其輻射效應(yīng)已經(jīng)使得上萬人學(xué)會(huì)使用CAH軟件。智能分析軟件不但全面實(shí)現(xiàn)了與人工HAZOP分析100%的一致性和兼容性，而且提高了分析質(zhì)量和效率，為我國化工、石油化工、煉油和天然氣工業(yè)降低重特大事故發(fā)生概率做出了貢獻(xiàn)。大型液化天然氣裝置智能HAZOP評(píng)估案例截圖見圖6所示。

實(shí)踐證明，CAH軟件徹底實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的可復(fù)查、可復(fù)制、可反復(fù)、可存檔、可換人、可繼承、可傳遞、可聯(lián)網(wǎng)、可討論、可修改、可共享和可視化。

圖6 大型液化天然氣裝置智能HAZOP評(píng)估案例

將CAH軟件直接應(yīng)用于仿真培訓(xùn)，學(xué)生可以實(shí)施操作規(guī)程HAZOP分析、誤操作的原因分析和不利后果預(yù)測分析。CAH是一個(gè)非常有效的培訓(xùn)指導(dǎo)分析工具，自學(xué)習(xí)、個(gè)性化和智能化決策工具，也是一個(gè)案例仿真培訓(xùn)HAZOP分析的工具。

一些已經(jīng)應(yīng)用CAH軟件完成了HAZOP分析的企業(yè)，采用所完成的有針對(duì)性的HAZOP分析知識(shí)本體模型SOM_G，利用模型隱含有海量的危險(xiǎn)劇情作為案例周期性培訓(xùn)操作工。經(jīng)過培訓(xùn)，提高了操作工事故預(yù)防和事故排除決策分析能力，實(shí)用效果非常滿意。以前的人工HAZOP分析由于評(píng)價(jià)過程和細(xì)節(jié)沒有知識(shí)本體跟蹤保留，只有參加HAZOP分析會(huì)議的少數(shù)人知道，一般分析過后兩周左右基本上都忘記了。將HAZOP分析結(jié)果事后用于長期的安全培訓(xùn)“活的教材”是完全不可想象的。

大規(guī)模工業(yè)實(shí)踐應(yīng)用表明，安全信息標(biāo)準(zhǔn)化的模型-劇情對(duì)象模型（SOM）為實(shí)現(xiàn)多種劇情危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的信息交換、共享和計(jì)算機(jī)化奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為提高危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的質(zhì)量和效率提供了強(qiáng)有力的手段。

實(shí)踐證明SOM主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：

⑴簡明直觀表達(dá)、記錄和跟蹤危險(xiǎn)評(píng)價(jià)團(tuán)隊(duì)“頭腦風(fēng)暴”討論過程的全部有效細(xì)節(jié)，以便對(duì)評(píng)價(jià)過程進(jìn)行交互式跟蹤修正與核查，確保了專家團(tuán)隊(duì)在評(píng)價(jià)中的主導(dǎo)作用。

⑵簡明直觀表達(dá)、記錄和跟蹤危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的全部結(jié)果，自動(dòng)進(jìn)行結(jié)果的多維隱含信息的交互式檢索、修正、處理和報(bào)告生成，徹底克服了人工評(píng)價(jià)報(bào)告無法顯式表達(dá)全部評(píng)價(jià)結(jié)果的不足。

⑶可以實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中非經(jīng)驗(yàn)依賴性知識(shí)本體模型的任意多引導(dǎo)詞交互式自動(dòng)推理分析，即大數(shù)據(jù)+知識(shí)圖譜深度學(xué)習(xí)，最大限度提高推理的完備性和減少人工重復(fù)勞動(dòng)。

⑷解決了人工危險(xiǎn)評(píng)價(jià)無法將評(píng)價(jià)過程和結(jié)果兩類信息任意傳遞、繼承和共享的不足。

⑸通過危險(xiǎn)評(píng)價(jià)劇情結(jié)構(gòu)信息的歸類及圖形化方法，提高了危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的質(zhì)量和效率，包括評(píng)價(jià)完備性、深入性、系統(tǒng)性、減少不合理的假定、提高分析的準(zhǔn)確度等方面。

⑹將多種基于劇情的危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法有機(jī)融合，優(yōu)勢互補(bǔ)，綜合應(yīng)用。

如前所述，從目前化工教學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)上分析，化工職業(yè)院校教學(xué)、大學(xué)本科教學(xué)均缺乏“過程運(yùn)行學(xué)”內(nèi)容。大部分學(xué)生畢業(yè)后是從事“過程運(yùn)行”職業(yè)，而不是設(shè)計(jì)研究職業(yè)。另外，學(xué)校的數(shù)學(xué)教學(xué)缺乏定性建模和定性推理，這恰恰是利用數(shù)學(xué)工具分析問題解決問題、人工智能“反事實(shí)因果推理”和可解釋AI（XAI）的核心內(nèi)容。因此，化工職業(yè)院校教學(xué)和本科教學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)亟待擴(kuò)展。人工智能HAZOP軟件為“過程運(yùn)行學(xué)”、定性數(shù)學(xué)和人工智能教學(xué)提供了一種不可或缺的理論教材與生動(dòng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

【系列講座④ITS在化工職業(yè)教育中應(yīng)用系列軟件⑶預(yù)告】

長期以來，在仿真培訓(xùn)系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用過程中，遇到三個(gè)難題。一是一個(gè)教師沒有能力跟蹤和監(jiān)控幾十個(gè)到數(shù)百個(gè)學(xué)員同時(shí)進(jìn)行仿真訓(xùn)練，并且對(duì)學(xué)員的操作失誤及時(shí)給出詳細(xì)的分析和解釋，進(jìn)而指導(dǎo)學(xué)員應(yīng)當(dāng)按怎樣的操作序列行動(dòng)；二是有豐富實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)、高水平故障排除能力的培訓(xùn)教師奇缺；三是全工況、全流程范圍的準(zhǔn)確故障診斷和預(yù)測。智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)AI3-TZZY軟件可以自動(dòng)解決以上難題，使仿真系統(tǒng)更加智能化，是解決人為失誤的“利器”，在提高培訓(xùn)效果和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化個(gè)性化教學(xué)的同時(shí)大幅度提高教學(xué)質(zhì)量降低教師負(fù)擔(dān)。