지식 기반 접근법을 이용한 Digraph 자동합성에 관한 연구

이성근, 안대명, 황규석

부산대학교 화학공학과

A Study on the Automatic Synthesis of Digraph

Using Knowledge-based Approach

Sung-gun Lee, Dae-Myung An, Kyu Suk Hwang

Dept. of Chemical Engineering, Pusan National University

서론

산업안전에관한 여론의 증가, 그에 따른 정부의 엄격한 규제, 그리고 대형화, 복잡화되어가는 화학플랜트에서 예기치 못한 사고의 발생가능성을 평가하고, 사고원인을 진단하는 정밀한 방법들이 요구되어지고 있다.

위험을 확인하고 평가하는데 사용되는 방법들은 여러가지가 있으며, 그 중의 하나가 Fault Tree Analysis이다. 이것은 화학공업에 적용되어 재해의 예측이나 안전성의 사전평가에 큰 영향력을 발휘하였다. 그러나 수작업으로 Fault Tree를 구축할 경우, 많은 인력과 시간이 소비된다. 그래서 켬퓨터를 이용한 Fault Tree구축을 고안했으며, 이러한 Fault Tree구축을 손쉽게 하기 위해서 여러 가지 방법들이 제안되었다. 그 중에서 가장 널리 사용된 방법은 Digraph를 이용한 것이다.    Digraph는 공정변수, 인간에러, 장치이상사이의 명확한 관계를 제시할 수 있으며, Control loop를 가진 System을 Modeling하는데 적합한 구조적인 방법을 제공한다. 특히 이상원인을 발견하는 프로세스, 즉 이상진단에서 이상진단기술을 발전시키기 위한 도구로 오랫동안 이용되어 왔으며, 이상 전파 거동을 모델링하기 위해서도 Digraph를 사용하였다.(Kramer and Palowitch, 1987) 그리고 화학공정의 대형화와 복잡화는 Digraph를 복잡하게 하였으며, 또한 많은 작성시간의 소요를 초래하였다. 이에 본 연구에서는 Digraph를 자동으로 합성하는 연구를 수행하였다.

연구방법

1.공정Topoloqy

Topology는 공정의 정적인 관계, 즉 공정을 구성하고 있는 장치간의 결합관계에 대한 정보를 가지고 있다. 공정구조는 표현방법에 따라서 장치를 Node로, Line은 Pipe Line과 Signal Line으로 나타내었다.

Fig.1 Representation of Control valve

공정을 구성하고 있는 장치를 중심으로 결합관계를 Fig.1과 같이 표현할 수 있다. E4의 장치명은 ControlValve이고, Pass는 Input Line이 ControlValve를 통해서 들어오며, Output Line도 동일하게 ControlValve를 통해서 나감을 ControlValve-ControlValve로 표시하였다.(Fig.1) 그리고 아래의 Plin(Input Pipe Line), Slin (Input Signal Line), Plout(Output Pipe Line)는 입력 Line이 각각 Pipe Line이고, 출력 Line이 Signal Line임을 나타내고 있다. Plin(Input Pipe Line) 다음의 숫자는 지정된 Line의 Number이다.

2. 공정 중의 장치를 선택

화학공정은 많은 장치와 라인으로 이루어져 있으며, 각 장치에 대한 Input Line과 Output Line의 공정변수관계를 구축하기 위해서 장치를 차례로 호출한다.

아래의 Fig.2는 화학플랜트를 기능별로 계층화한 것이다.

Fig.2 Hierachical relation among units in chemical plant

3. 지식 베이스

지식베이스는 장치별로 Input Line의 상태속성값(Temp, Press, Mass, S, L)과 Output Line의 상태속성값사이의 관계를 IF-THEN Rule로표현한Variable-Relation-Data 이며, 구체적인 표현은 Fig.3에 나타나있다.

Fig.3  Representation of Knowledge

여기서

□<Input Line>에는 Plin(input pipe line), Slin(input signal line)이 있다.        □<Output Line>에는 Plout(output pipe line), Slout(output signal line)이 있다.   □<ProcessVariable>에는 Temp(Temperature),  Press(Pressure),    Mass

(Mass flow) , S(Signal), L(Level)과 같은 변수들이 존재한다.

□<Relation Between Process Variable>는 (+), (0), (-)로 표현한다.

여기서 (+)는 Input Line의 공정변수 중의 하나인 Temperature가 증가할 경우, Output Line의 Temperature도 증가(+)함을 나타낸 것이며, (-)는 감소, (0)은 관계없음을 표현한 것이다.

4. 해당장치에 대한 Input/output 변수관계를 구축

Input/Output 변수관계는 장치에서 Input Line에 관련된 입력변수와 Output     Line에 관련된 출력변수사이의 관계를 나타낸 것으로 Pattern과 Knowledge의    Variable-Relation-Data사이의 Matching에 의해서 변수관계가 구축되어 진다    그리고 Pattern은 Topology의 정보를 이용한다.

Topology에는 장치와 Input Line, Output Line에 관한 정보가 저장되어 있으   며, 이것에 의해서 Pattern의 Line Number가 숫자로 각각 정해진다.

Pattern은 위에서 설명한 Variable-Relation-data의 IF-THEN Rule과 같은 형   식으로 되어있으며, 구체적인 예는 Fig.4에 나타나있다.

Fig.4  Example of pattern

□ Pattern Matching

Pattern Matching이란  어떤 문제를 해결하기 위해서 사용하는 방법의 하나로   써, Pattern Expression과 Ordinary Expression(Data)과 비교해서 똑같은 것이   있는지 Search하는 과정이다. 본 연구에서는 위의 Fig.4에 구체적으로 표현된    Pattern과 Data(Fig.3의 IF-THEN Rule)사이의 Matching에 의해서 (? Sign)자   리에 (+), (0), (-) 중의 하나가 들어가게 된다.

5. Digraph 자동합성

Input Line에 관련된 공정변수와 Output Line에 관련된 공정 변수사이의 관계   가 Pattern과 Knowledge의 Variable-Relation-Data사이의 Matching에 의해      서 장치별로 구축된다. 이렇게 장치별로 구축된 모든 공정변수사이의 관계를     이용해서 Digraph를 자동으로 합성하게 된다.

6. Digraph의 검증

Digraph상에서 FBL(FeedBackLoop)는 동일한 Node에서 출발하여, 동일한      Node에서 끝나는 경로를 가진다. 그러나 장치를 Input Line과 Out Line으로 구   분한 다음, 각 Line의 공정변수를 관계지으므로써 두 변수 사이의 인과관계를    표현할 수 없는 경우가 발생한다.(즉, 변수관계에서 Loop가 발생하지 않는다.)    이러한 것은 공정변수사이의 인과관계를 나타내는 화살표 방향과 공정의 물질   흐름방향이 반대일 경우에 발생하게 된다. 본 연구에서는 Level Control loop공   정에서 이러한 것이 발생한다. (대상공정 Fig.6)  그래서 이러한 구조를 자동으   로 Search해야 하며, 이러한 구조를 Search하는 기본적인 방법은 Output Signal   Line의 장치명과 ControlValve의 Output Pipe Line과 연결된 장치명이 다른경   우를 찾으면 된다.

7. Digraph의 표현

Digraph를 표현하기 위해서는 먼저 Input Line에 관련된 공정변수와 Output

Line에 관련된 공정변수를 모두 가로축과 세로축에 나열하고 공정변수 사이의   관계를 나타낸다.

Fig.5  Representation of Digraph

Fig.5 에서보는 봐와 같이 세로축은 화살표의 꼬리부분에 있는 변수(원인)가 되   고, 가로축은 화살표의 머리부분에 있는 변수(결과)가 된다. Fig.5는 Mass flow   와 Temperature사이의 관계를 나타낸 간단한 Digraph를 표현한 것이다.

결론

룰-베이스를 이용한 Digraph 합성기를 개발하였으며, 대상공정으로 Temperature Sensor와 Level Sensor가 설치된 C.S.T.R을 선정(Fig.6)하여 적용시켜 봄으로써, 타당성을 검증하였다.

Fig.6 Schematic Diagram for C.S.T.R

참고문헌

[1] M.A.Kramer, B.L.Palowitch, "A Rule-based Approach to Fault Diagnosis

Using the Signed Directed Graph", AIChE Journal (1987)

[2}Steven A. Lapp, Gary J. Powers, "Computer-aided Synthesis of Fault-trees

", IEEE Transactions on Reliabilith (1977)

[3] Chung-Chien Chang, Cheng-Ching Yu, "On-Line Fault Diagnosis Using the Signed Directed Graph" American Chemical Society (1990)