Nghiên cứu ứng dụng quyết định hỗ trợ bằng máy tính trong điều khiển vận hành quá trình và thiết bị công nghệ

-2

CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TSKH. LÊ XUÂN HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1:

PGS.TS. PHẠM VĂN BÔN

Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS. LÊ PHAN HOÀNG CHIÊU

Luận văn Thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày

tháng

năm 2005


Cao học CNHH - K14


-3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC




Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2005,

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

VÕ VIỆT HẢI

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

01/05/1972

Nơi sinh: Hà bắc

Chuyên ngành:

Công nghệ Hóa học

MSHV: 00503114

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng hỗ trợ quyết định bằng máy tính
trong điều khiển - vận hành quá trình và thiết bị công nghệ
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Phân tích và mô hình hóa hệ thống công nghệ bằng mô hình tri thức . Áp
dụng với hệ thống điều hòa không khí.
2. Mô phỏng quá trình hỗ trợ và ra quyết định điều khiển dựa trên mô
hình. Áp dụng để điều khiển vận hành hệ thống điều hòa không khí.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

17/01/2005

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

30/06/2005

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TSKH. LÊ XUÂN HẢI

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

TSKH. LÊ XUÂN HẢI

Nội dung và đề cương luận văn Thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành
thông qua.
Ngày
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

tháng

năm 2005

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


Cao học CNHH - K14


-4

LỜI CẢM ƠN
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng hỗ trợ quyết định bằng máy tính trong điều
khiển - vận hành quá trình &ø thiết bị công nghệ “ được định hướng và chuẩn bị
từ năm 2003, chính thức thực hiện từ tháng 01/2005. Trong suốt quá trình chuẩn
bị và thực hiện, đề tài và tác giả đã được sự quan tâm, hướng dẫn và giúp đỡ của
rất nhiều Thầy Cô và các bạn đồng nghiệp.
Chúng tôi xin cám ơn TSKH. Lê Xuân Hải - Khoa Công nghệ Hóa học &
Dầu khí - Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, đã trực tiếp giảng dạy,
định hướng và tận tình hướng dẫn chúng tôi thực hiện đề tài.
Chúng tôi xin cám ơn PGS. TS. Nguyễn Thanh Thủy - Khoa Công nghệ
Thông tin - Trường Đại học Bách khoa TP. Hà nội, đã tận tình hướng dẫn chúng
tôi các kiến thức cần thiết về Công nghệ thông tin để thực hiện đề tài.

Chúng tôi xin cám ơn các Thầy Cô trong Khoa Công nghệ Hóa học & Dầu
khí - Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, TS. Ngô Đăng Nghóa Trường Đại học Thủy sản, đã giảng dạy chúng tôi những kiến thức có liên quan
về Quá trình & Thiết bị cũng như Kỹ thuật lạnh để thực hiện đề tài.
Chúng tôi xin cám ơn các bạn đồng nghiệp về Công nghệ Hóa học và Công
nghệ thông tin đã hết lòng giúp đỡ, tư vấn những kiến thức chuyên môn và kỹ
thuật lập trình trong quá trình thực hiện đề tài.
TP. HCM, ngày

tháng

năm 2005

Tác giả


Cao học CNHH - K14


-5

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng hỗ trợ quyết định bằng máy tính trong điều
khiển - vận hành quá trình &ø thiết bị công nghệ “ được thực hiện tại Xí nghiệp
Liên doanh Vietsovpetro, với sự hướng dẫn của TSKH. Lê Xuân Hải - Khoa
Công nghệ Hóa học & Dầu khí - Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh.
Mục tiêu của đề tài là mô phỏng và tự động hóa khả năng suy luận - ra quyết
định của chuyên gia trong điều khiển vận hành quá trình và thiết bị. Đối tượng
được chọn để nghiên cứu là một hệ thống điều hòa không khí. Hệ thống mô
phỏng được sử dụng để giúp người vận hành có các quyết định đúng đắn và
điều khiển hệ thống công nghệ vận hành một cách chính xác và hiệu quả.

Để đạt được mục tiêu đã định, phương pháp “Tiếp cận hệ thống” được chọn
làm cơ sở lý luận để nghiên cứu và thực hiện đề tài. Lý thuyết về Trí tuệ nhân
tạo và Hệ chuyên gia, về Tự động hóa quá trình công nghệ cũng như các kỹ
thuật lập trình cũng được sử dụng trong quá trình mô phỏng.
Nội dung chính của đề tài được trình bày trong sáu chương:
•

Chương 1 - Tổng quan

•

Chương 2 - Tiếp cận & Mô hình hóa đối tượng công nghệ

•

Chương 3 - Xây dựng chương trình mô phỏng quá trình ra quyết
định bằng máy tính

•

Chương 4 - Hướng dẫn sử dụng

•

Chương 5 - Thử nghiệm & Hiệu chỉnh

•

Chương 6 - Kết luận và Đề xuất
TP. HCM, ngày

tháng

năm 2005

Tác giả


Cao học CNHH - K14


-6

ABSTRACT
The thesis calls “Research on application of the decision support system in
process and equipment operation” is carried out at Joint Venture “Vietsovpetro”
under the guidance of DSc. Le Xuan Hai who is working at Chemical & Oil–
Gas Engineering Department of the HCMC University of Technology.
This thesis deals with the computer-aided decision-making applications in
the technical device operation. The finally aim is to simulate the decisionmaking abilities of human expert to support operator in system operation.
For this goal, the Approach System Methodology will be focused on,
coordinate the theories of Artificial Intelligence, Expert System, Automation
and Programming Engineering. An Air-conditioning system of an offshore Oil
rig will be chosen to research on as an illustration for the thesis.
The main contents of the thesis include six chapters as follow:
•

Chapter 1 - Literature review

•

Chapter 2 – Approaching & Modelling of the engineering system

•

Chapter 3 - Programming of the support decision-making program.

•

Chapter 4 - Instruction Manual

•

Chapter 5 - Testing & Evaluation.

•

Chapter 6 - Conclusions and recommendations.
HCMC, date

/

/ 2005

Author


Cao học CNHH - K14

-7

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ..............................................................................3
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................4
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ................................................................................5
ABSTRACT .......................................................................................................................6
MỤC LỤC..........................................................................................................................7
ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................................11
CHƯƠNG I

TỔNG QUAN ........................................................................................14

1. KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯNG CÔNG NGHỆ................14
1.1. Các hệ thống điều khiển truyền thống ..................................................14
1.2. Điều khiển mờ ...........................................................................................16
2. ĐIỀU KHIỂN-VẬN HÀNH NHỜ TRI THỨC ...........................................17
2.1. Quá trình tích lũy tri thức .........................................................................18
2.2. Quá trình suy luận và ra quyết định.......................................................19
3. TRÍ TUỆ NHÂN TẠO & HỆ HỖ TR QUYẾT ĐỊNH ............................20
3.1. Khái niệm ...................................................................................................20
3.2. Mô tơ suy diễn ...........................................................................................21
3.3. Cơ sở tri thức ..............................................................................................22
4. TIẾP CẬN HỆ THỐNG ..................................................................................23
4.1. Hệ thống [15] .............................................................................................24
4.1.1. Khái niệm ............................................................................................24
4.1.2. Phân hoạch & tích hợp hệ thốn g .....................................................24
4.1.3. Sự vận động của hệ thống ................................................................24
4.1.4. Tính lưỡng nguyên của hệ thống.....................................................25
4.1.5 Bậc tự do của hệ thống......................................................................25


Cao hoïc CNHH - K14


-8

4.2. Tiếp cận hệ thống......................................................................................26
4.2.1. Nguyên tắc cơ bản .............................................................................26
4.2.2. Các phương thức tiếp cận .................................................................26
4.2.3. Phương tiện biểu đạt hệ thống.........................................................28
4.2.4. Các tác vụ chiến lược ........................................................................31
4.2.5. Lược đồ logic triển khai tiếp cận hệ thống....................................31
CHƯƠNG II

TIẾP CẬN & MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG..................................34

1. ĐỐI TƯNG & MỤC ĐÍCH TIẾP CẬN .....................................................34
2. TIẾP CẬN HỆ THỐNG ..................................................................................36
2.1. Phân hoạch trạng thái của hệ thống.......................................................37
2.2. Phân hoạch hệ thống điều hòa S ............................................................38
2.3. Tích hợp hệ thống......................................................................................41
3. MÔ HÌNH HÓA TOÁN HỌC HỆ THỐNG.................................................43
3.1. Tập sự kiện .................................................................................................45
3.2. Tập luật quyết định ...................................................................................45
3.3. Mô hình toán học quá trình ra quyết định.............................................47
4. MÔ HÌNH SỐ HÓA CỦA HỆ THỐNG .......................................................48
4.1. Số hóa hệ thống điều hòa ........................................................................48
4.2. Số hóa quá trình ra quyết định................................................................52
CHƯƠNG III

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH RA

QUYẾT ĐỊNH.................................................................................................................54
1. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH SUY LUẬN & RA QUYẾT ĐỊNH ..............56
1.1. Yêu cầu .......................................................................................................56
1.2. Thiết kế chức năng “Hỗ trợ quyết định" ...............................................56
2. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TÍCH LŨY TRI THỨC ..................................58


Cao học CNHH - K14


-9

2.1. Thiết kế chức năng “Mô tả sự kiện” .....................................................58
2.2. Thiết kế chức năng “Lập quyết định”...................................................60
3. XÂY DỰNG GIAO DIỆN CHƯƠNG TRÌNH ............................................61
3.1. Giao diện người dùng ...............................................................................62
3.2. Giao diện với chuyên gia.........................................................................62
3.3. Giao diện hệ thống....................................................................................62
4. CÁC TÍNH NĂNG TR GIÚP & TIỆN ÍCH .............................................63
4.1. Bảo mật thông tin tri thức ........................................................................63
4.2. Thư viện tri thức chuyên ngành đa phương tiện ..................................64
4.3. Thông tin & trợ giúp về chương trình ....................................................65
CHƯƠNG IV HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG................................................................66
1. CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH .........................................................................66
2. SỬ DỤNG CHỨC NĂNG “TIẾP CẬN HỆ THỐNG” ..............................67
2.1. Phân hoạch & Tích hợp ............................................................................67
2.2. Lập quyết định từ các sự kiện .................................................................70
2.3. Xem cấu trúc và nội dung tri thức ..........................................................72

2.3. Lưu trữ cơ sở tri thức .................................................................................73
3. SỬ DỤNG CHỨC NĂNG “HỖ TR QUYẾT ĐỊNH” .............................74
4. SỬ DỤNG CHỨC NĂNG “THƯ VIỆN CHUYÊN NGÀNH” .................80
CHƯƠNG V THỬ NGHIỆM & HIỆU CHỈNH .....................................................82
1. THỬ NGHIỆM..................................................................................................82
1.1. Trường hợp 1 (Suy luận thuận - nghịch) ..............................................82
1.2. Trường hợp 2 (Suy luận phản chứng) ...................................................84
1.3. Trường hợp 3 (Suy luận bắc cầu) ...........................................................85
1.4. Trường hợp 4 (Suy luận bắc cầu có phủ định) ....................................86


Cao học CNHH - K14


- 10 

1.5. Trường hợp 5 (Suy luận loại trừ) ...........................................................86
2. NHẬN XÉT & HIỆU CHỈNH........................................................................87
2.1. Tính đúng & hợp lý ...................................................................................87
2.2. Tính “người” của chương trình ...............................................................87
2.3. Tính hiệu quả & chính xác của tri thức. ................................................88
3. SO SÁNH & ĐÁNH GIÁ................................................................................90
CHƯƠNG VI

KẾT LUẬN & ĐỀ XUẤT ................................................................91

1. KẾT LUẬN ........................................................................................................91
2. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN ..........................................................................................93
PHỤ LỤC .........................................................................................................................95
Phụ lục 1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA ..........................95

Phụ lục 2. SƠ ĐỒ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA ..............96
Phụ lục 3. SƠ ĐỒ ĐIỆN ĐỘNG LỰC HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA .................97
Phụ lục 4. KẾT QUẢ PHÂN HOẠCH & TÍCH HP ....................................98
Phụ lục 5. GIẢI THUẬT SUY DIỄN LÙI ........................................................99
Phụ lục 6. MÃ NGUỒN CƠ CHẾ SUY LUẬN RA QUYẾT ĐỊNH......... 101
Phụ lục 7. MÃ NGUỒN CƠ CHẾ “MÔ TẢ SỰ KIỆN” ............................. 104
Phụ lục 8. MÃ NGUỒN CƠ CHẾ “LẬP QUYẾT ĐỊNH” ......................... 106
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 112
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ........................................................................................ 115


Cao hoïc CNHH - K14


- 11 

ĐẶT VẤN ĐỀ
Các hệ thống sản xuất trong Công nghệ hóa học và Dầu khí thường có qui
mô công nghiệp và luôn đòi hỏi phải được điều khiển vận hành sao cho có thể
hoạt động với hiệu suất, độ ổn định và độ tin cậy cao nhất.
Để đảm bảo yêu cầu đó, một mặt, các hệ thống công nghệ thường được tự
động hóa với mức độ cao, các thông số định lượng của đối tượng công nghệ được
tính toán với tốc độ và độ chính xác ưu việt. Tuy vậy, nhược điểm của các hệ
thống điều khiển tự động là rất khó hoặc hầu như không thể áp dụng với đối
tượng không thể mô tả bằng các thông tin định lượng.
Do đó, bên cạnh các hệ thống tự động luôn có sự hiện diện của các chuyên
gia vận hành để giám sát những thông số định tính và tình huống bất định xảy ra
trên đối tượng công nghệ… Từ đó ra các quyết định cần thiết và kịp thời để điều
khiển đối tượng, duy trì tính ổn định và bền vững cho toàn hệ thống (hình H0.1).

Chuyên gia
Thu thập dữ liệu

Thiết bị tự động

Quá trình sản xuất
H0.1. Điều khiển có hỗ trợ quyết định nhờ chuyên gia
Thuật ngữ “chuyên gia” được dùng ở đây là để chỉ những người có khả năng
giải quyết những vấn đề có độ phức tạp cao, đòi hỏi phải có những hiểu biết sâu
sắc kết hợp với những phương pháp giải quyết hợp lý và hiệu quả [7]. Do đó,
công tác đào tạo và nâng cao khả năng điều khiển - vận hành của người vận


Cao học CNHH - K14


- 12 

hành luôn được đặc biệt coi trọng. Chi phí đào tạo nhân lực đối với cho những
hệ thống công nghệ lớn thường chiếm đến 1% tổng chi phí đầu tư cho hệ thống.
Thực tế cho thấy những vấn đề liên quan đến điều khiển vận hành có thể xử
lý rất nhanh chóng nếu người vận hành có những gợi ý, hướng dẫn chính xác từ
chuyên gia. Do đó, Khoa học máy tính đã nghiên cứu và xây dựng các hệ hỗ trợ
quyết định nhờ máy tính để mô phỏng và tự động hóa quá trình tư duy, lập luận
và ra quyết định dựa trên tri thức của chuyên gia (hình H0.2) nhằm hỗ trợ người
vận hành trong quá trình điều khiển và vận hành đối tượng công nghệ. Các
nghiên cứu theo hướng này đã đạt những thành công rực rỡ cả về kinh tế và kỹ
thuật ở những nước khoa học kỹ thuật phát triển [21][26][27].

Hệ HTQĐ

Tích hợp tri thức
Quản lý thông tin
Xử lý dữ liệu
Người vận hành
Thu thập dữ liệu

Thiết bị tự động

Quá trình sản xuất
H0.2. Điều khiển có hỗ trợ quyết định nhờ máy tính [26.3]
Nhiệm vụ quan trọng nhất và cũng là khó nhất trong việc thiết kế các hệ hỗ
trợ quyết định là tích lũy tri thức về hệ thống công nghệ. Người thiết kế vừa phải
có tri thức công nghệ để nắm vững bản chất và quan hệ của đối tượng công nghệ
cụ thể, vừa phải am hiểu vấn đề mô hình hóa đối tượng và các kỹ thuật Hệ


Cao học CNHH - K14


- 13 

Chuyên gia. Do đó, việc tiếp cận và giải quyết vấn đề của người thiết kế chỉ có
chuyên môn thuần túy về Khoa học máy tính thường gặp rất nhiều khó khăn .
Hướng đến việc đẩy mạnh áp dụng các hệ hỗ trợ quyết định vào công tác vận
hành các hệ thống Công nghệ Hóa học và Dầu khí, đề tài này sẽ tập trung vào
việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp Tiếp cận hệ thống để thu nạp Tri thức từ
mô hình đối tượng công nghệ, đồng thời cũng nghiên cứu và ứng dụng các kỹ
thuật mô phỏng quá trình suy luận - ra quyết định của chuyên gia khi điều khiển

vận hành đối tượng.
Đối tượng được chọn để nghiên cứu như là một ví dụ khởi đầu là một hệ
thống điều hòa không khí cho phòng điều khiển của một hệ thống khoan - khai
thác dầu khí trên biển của Xí nghiệp Liên doanh Vietsovpetro. Tuy chỉ là hệ
thống phục vụ, nhưng trong quá trình sản xuất, nếu hệ thống điều hòa ngừng
hoạt động quá 30 phút thì toàn bộ hệ thống điều khiển cấp điện sẽ tự động
ngừng theo, kéo theo sự gián đoạn của toàn hệ thống côn g nghệ. Chỉ riêng tiền
thuê thiết bị khoan đã đến 50.000USD/ngày. Trong một số trường hợp đặc biệt,
thiệt hại có thể lên đến hàng trăm ngàn USD nếu thiết bị khoan - khai thác bị hư
hỏng. Do đó, hoạt động của hệ thống điều hòa luôn được đặt dưới sự giám sát và
điều khiển của người vận hành có kinh nghiệm. Trường hợp xảy ra vấn đề mà
người vận hành tại chỗ không giải quyết được thì phải lập tức đưa chuyên gia từ
bờ ra. Chi phí chuyên chở chuyên gia là 2000 - 6000USD/chuyến bay [Tài liệu
Vietsovpetro], nhưng cũng chỉ thực hiện được nếu điều kiện thời tiết cho phép .
Do đó, mục tiêu cụ thể của đề tài sẽ là xây dựng một chương trình máy tính,
có khả năng trao đổi thông tin với người vận hành để cung cấp các lời khuyên,
tư vấn mang tính chất hỗ trợ cho người vận hành hệ thống điều hòa trước những
tình huống mà họ không thể tự quyết định mà cũng không thể nhờ hoặc chờ tư
vấn trực tiếp của chuyên gia.

Cao học CNHH - K14


- 14 

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN
1. KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯNG CÔNG NGHỆ
1.1. Các hệ thống điều khiển truyền thống

Trong thực tế của mọi ngành sản xuất công nghiệp, mục tiêu tăng năng suất
lao động cũng như chất lượng và độ chính xác của sản phẩm thường được thực
hiện bằng cách gia tăng mức độ tự động hóa điều khiển các quá trình và thiết bị
sản xuất. Các hệ thống điều khiển tự động luôn được thiết kế với mong muốn
thay thế một phần hay toàn bộ các thao tác vật lý của con người khi vận hành hệ
thống công nghệ.
Yêu cầu chung cho các hệ thống điều khiển là chúng phải có khả năng khởi
động, kiểm soát và dừng một quá trình theo yêu cầu giám sát ; hoặc đo đếm và
hiệu chỉnh giá trị các biến đã xác định của quá trình nhằm đạt kết quả mong
muốn ở sản phẩm đầu ra của thiết bị. Quá trình điều khiển còn được yêu cầu có
độ tin cậy cao, ổn định và không cần hoặc cần rất ít sự can thiệp của con người.
Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển tổng quát thường gồm ba thành
phần: khối vào, khối xử lý và khối ra (H1.1).

Bộ chuyển đổi
tín hiệu vào

KHỐI
RA

KHỐI
XỬ LÝ

KHỐI
VÀO

Tín
hiệu vào

Xử lý – Điều

khiển

Kết
quả xử lý

Cơ cấu tác
động

H1.1. Các thành phần trong hệ thống điều khiển tổng quát [13]

Cao học CNHH - K14


- 15 

Khối vào có nhiệm vụ chuyển đổi các đại lượng vật lý thành các tín hiệu
điện. Khối xử lý - điều khiển tạo các tín hiệu đáp ứng đã được xác định trước tùy
theo tín hiệu vào. Cơ cấu tác động thực hiện các đáp ứng cụ thể nhằm đảm bảo
thực hiện quá trình đã định trong tín hiệu điều khiển.
Các hệ thống điều khiển truyền thống thường chỉ khác nhau ở phương pháp
thực hiện xử lý và điều khiển. Nói chung, chúng đều làm việc với các đại lượng
vật lý của đối tượng cần điều khiển . Các đại lượng này liên hệ với nhau bằng
các quan hệ toán học gọi là mô hình toán học của đối tượng.
Việc xây dựng mô hình toán học thường xuất phát từ các phương trình vi
phân mô tả các quan hệ của đối tượng. Các phương trình này được biến đổi về
dạng các hàm truyền đạt hoặc biến trạng thái cho từng phần tử cơ bản của hệ
thống, sau đó được tổng hợp thành hệ thống điều khiển [16].
Trong nhiều trường hợp, khi mô hình toán học của đối tượng có nhiều tham
số hoặc có dạng phi tuyến bậc cao, việc xây dựng các hàm truyền của hệ thống
điều khiển rất khó khăn . Khi đó phải đơn giản hóa mô hình toán học đến mức độ

chấp nhận được hay cố gắng tuyến tính hóa các phương trình phi tuyến. Từ đó
nảy sinh sai số cũng như những yếu tố, tình huống bất định khi điều khiển đối
tượng công nghệ thực, đặc biệt là với những đối tượng có thông số định tính hay
có yếu tố biến đổi ngẫu nhiên như trong các hệ thống nhiệt động.
Ngoài ra, kỹ thuật điều khiển truyền thống luôn đòi hỏi lượng hóa chính xác
các thông tin đầu vào nhằm xác định các đặc trưng để lập trình điều khiển . Rất
nhiều đối tượng cần điều khiển không thể đáp ứng được yêu cầu này, do chúng
chỉ có thể mô tả bằng những thông tin không đầy đủ hoặc thông tin định tính mà
sự chính xác chỉ có thể nhận thấy giữa quan hệ của chúng với nhau qua mô tả
bằng ngôn ngữ. Đặc biệt, khi điều khiển các quá trình công nghệ hóa học, điều


Cao học CNHH - K14


- 16 

khiển ô tô… các hệ thống điều khiển truyền thống thường không tận dụng được
kinh nghiệm vận hành của các chuyên gia [23].
1.2. Điều khiển mờ
Nhằm khắc phục những nhược điểm của lý thuyết điều khiển truyền thống, từ
những năm 90 của thế kỷ XX, xu hướng áp dụng các phương pháp điều khiển mờ
(Fuzzy Control) đã hình thành và phát triển. Những phương pháp này hướng đến
việc mô phỏng cách thức con người xử lý thông tin và điều khiển các quá trình
với các mô hình định tính. Hoạt động của bộ điều khiển phụ thuộc vào tri thức,
kinh nghiệm và phương pháp tư duy của chuyên gia đã được cài đặt vào máy
tính trên cơ sở logic mờ [2].
Cấu trúc cơ bản của một bộ điều khiển mờ được mô tả như hình H1.2.

xo

Mô tơ suy
diễn

Mờ hóa

y
Giải mờ

Đối tượng

Luật điều
khiển mờ
H1.2. Cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển mờ [2]
Trong đó:
•

xo là tín hiệu vào

•

y là tín hiệu ra hay tín hiệu điều chỉnh

Nền tảng cơ sở cho hoạt động của bộ điều khiển mờ là tập các quan hệ vào ra gọi là các luật điều khiển mờ có dạng các mệnh đề “NẾU… THÌ…” và các
nguyên tắc triển khai các mệnh đề đó, còn gọi là mô tơ suy diễn .


Cao học CNHH - K14

- 17 

Dạng tường minh của luật điều khiển mờ có dạng :
Rj : NẾU x1 = A1j và … và xm = Amj THÌ y = f(x1, x 2… xm)

(1.1)

với f là hàm của biến trạng thái, x i là các biến trạng thái.
Các biến x, y có thể là các dạng biến ngôn ngữ mô tả trạng thái định tính của
đối tượng như CAO, THẤP, KHOẢNG CHỪNG…
Đặc điểm chung của các phương pháp điều khiển mờ là [2]:
•

Đòi hỏi phải thu thập được tri thức để thiết lập mô hình định tính về
đối tượng cần điều khiển.

•

Chỉ dựa vào các thông tin vào ra quan sát được trên các đối tượng điều
khiển để ra các tín hiệu điều khiển.

•

Giảm được độ phức tạp tính toán, tuy không có được tính chính xác cao
như mô hình toán học định lượng.

•

Miền ứng dụng rộng lớn và đa dạng.

Tuy điều khiển mờ đã đạt được những thành tựu đáng kể trong thực tế, nhưng
cho đến nay vẫn chưa có các nguyên tắc chuẩn mực cho việc thiết kế, cũng như
chưa thể khảo sát tính ổn định, bền vững, chất lượng, quá trình quá độ, ảnh
hưởng của nhiễu… đến các bộ điều khiển mờ. Đồng thời cũng chưa có nguyên lý
tối ưu các bộ điều khiển này về lý thuyết.
Do đó, với các hệ thống công nghệ quan trọng, việc giám sát, xử lý thông tin
và điều khiển đối tượng trước những tình huống bất định và định tính vẫn là
trách nhiệm của các chuyên gia vận hành.
2. ĐIỀU KHIỂN-VẬN HÀNH NHỜ TRI THỨC
Trong sơ đồ điều khiển truyền thống (H1.1), chức năng xử lý và điều khiển
hoàn toàn có thể được thực hiện bởi các chuyên gia. Chuyên gia nắm được đáp
ứng ở ngõ ra, giám sát sự thay đổi ở ngõ vào. Trong quá trình đáp ứng tín hiệu

Cao học CNHH - K14


- 18 

vào, tức quá trình điều khiển hệ thống, chuyên gia sẽ thực hiện các thao tác điều
chỉnh tương ứng để đạt được hoạt động mong muốn trên thiết bị.
Việc các chuyên gia có thể nhanh chóng điều khiển các đối tượng công nghệ
vận hành chính xác theo chức năng chứng tỏ các đối tượng này đã được phản
ánh và mô phỏng đúng đắn bằng một mô hình nào đó trong đầu óc của họ [2].
Các nghiên cứu về tri thức và khoa học nhận thức (Cognitics) đã xác định đó là
mô hình ngôn ngữ với các thông tin sự kiện có tính ước lệ, định tính dạng các
mệnh đề “A là B”, “A thuộc loại A*”… ; quan hệ giữa các đối tượng và sự kiện
được mô tả bằng các quan hệ logic “NẾU… THÌ” [17]. Một số tài liệu gọi mô
hình này là mô hình tri thức (Mental Model) hay mô hình máy trạng thái [20].
Dựa trên mô hình này , chuyên gia thực hiện quan sát định tính thông tin vào ra để suy luận và phán đoán hành vi của đối tượng, từ đó điều hành hệ thống
theo tri thức và kinh nghiệm bằng các luật quyết định (Decision Rule) có dạng :

NẾU <Có các sự kiện -trạng thái F1, F2, F3… xảy ra trên hệ thống>
THÌ

<Cần phải hiệu chỉnh phần tử C1 , C2, C3… của hệ thống>

(1.2)

Như vậy , khả năn g điều khiển vận hành một đối tượng công nghệ của chuyên
gia đặc trưng bởi hai quá trình :
•

Nghiên cứu, mô hình hóa đối tượng công nghệ bằng mô hình tri thức ,
còn gọi là quá trình tích lũy tri thức .

•

Vận dụng tri thức để xử lý các tình huống cụ thể xảy ra trên đối tượng
công nghệ và điều khiển chúng vận động theo đúng chức năng đã định,
gọi là quá trình suy luận ra quyết định.
2.1. Quá trình tích lũy tri thức

Quá trình tích lũy thông tin tri thức về đối tượng công nghệ thực chất là quá
trình mô hình hóa đối tượng bằng các thông tin định tính như các sự kiện, tình

Cao học CNHH - K14


- 19 

huống, trạng thái, quan hệ… có thể xảy ra trên đối tượng. Qui ước gọi chung các

thông tin định tính về đối tượng là các sự kiện .
Đặc điểm của quá trình này là sự tăng trưởng dần dần về số lượng và chất
lượng tri thức . Trước một hệ thống phức tạp , chuyên gia luôn luôn có xu hướng
thực hiện quá trình phân hoạch để chia thành những hệ thống nhỏ, có những tính
năng cụ thể, rõ ràng hơn, gồm nhiều đối tượng đơn giản và cung cấp được nhiều
thông tin hơn để có thể hiểu và điều hành được hệ thống ban đầu .
Đối với người vận hành bình thường, các sự kiện được thu nạp một các h tự
nhiên và vô ý thức ở dạng những đoạn thông tin rời rạc . Còn đối với chuyên gia,
giữa các sự kiện luôn tồn tại những quan hệ chặt chẽ và thường ở dạng mô hình
ngôn ngữ “NẾU …THÌ “.
Tập hợp các quan hệ NẾU…THÌ… được gọi là tập luật điều khiển hay luật
quyết định (Decision Rule Set). Các luật được đúc kết từ lý thuyết và thực tiễn,
được kiểm chứng qua quá trình nghiên cứu, học tập và làm việc trên đối tượng
công nghệ cụ thể.
Như vậy, trong trí óc con người, đối tượng công nghệ tồn tại ở dạng các sự
kiện và luật. Các sự kiện là cơ sở để xây dựng các luật. Ngược lại, các luật được
sử dụng để đán h giá, sửa đổi, bổ sung các thông tin về sự kiện , hoặc thậm chí
được sử dụng để tìm thêm các sự kiện mới về đối tượng.
2.2. Quá trình suy luận và ra quyết định
Suy luận và ra quyết định là quá trình vận dụng tri thức để tìm cách đi từ sự
kiện ban đầu nào đó đến một kết luận cụ thể [20]. Dựa trên những tri thức đã
tích lũy, các chuyên gia thực hiện các quan sát để trích chọn được các yếu tố đặc
trưng có liên quan đến các sự kiện thực tế xảy ra trên đối tượng công nghệ. Từ
đó thực hiện quá trình suy luận để đề ra các quyết định điều khiển hệ thống.

Cao học CNHH - K14


- 20 

Trong thực tế, sơ đồ H0.1, còn được gọi là điều khiển bán tự động, được sử
dụng trong hầu hết quá trình sản xuất của các ngành công nghiệp do nó thể hiện
rất nhiều ưu điểm :
•

Điều khiển - vận hành hệ thống một cách linh hoạt.

•

Xử lý được những tình huống định tính được mô tả bằng dạng thông tin
không đầy đủ và thiếu chính xác khi vận hành.

•

Xử lý được những tình huống bất định nhờ tri thức và kinh nghiệm của
chuyên gia.

Tuy vậy , điều khiển bán tự động cũng có nhữn g nhược điểm rất lớn :
•

Thiếu ổn định và bền vững về tri thức : Trong cùng một vấn đề, các
chuyên gia khác nhau có những cách giải quyết khác nhau, thậm chí
một chuyên gia trong những hoàn cảnh tác động khác nhau cũng có thể
có những kết luận khác nhau .

•

Tri thức không thể cung cấp thường xuyên, liên tục vì chuyên gia là một
con người nên vẫn phải có thời gian nghỉ ngơi, có khi bị ốm…

3. TRÍ TUỆ NHÂN TẠO & HỆ HỖ TR QUYẾT ĐỊNH
3.1. Khái niệm
Nhằm khai thác những khả năng kỳ diệu về mọi mặt của trí tuệ con người, từ
những năm 50 của thế kỷ XX, những yêu cầu nghiên cứu mới đã được đặt ra và
khai sinh một ngành đặc biệt của Khoa học máy tính, đó là Trí tuệ nhân tạo
(Artificial Intelligence).
Thuật ngữ “Trí tuệ nhân tạo ” được hiểu là những nghiên cứu liên quan đến
việc mô phỏng hành vi thông minh trên cơ sở các nghiên cứu quy luật hoạt động
sáng tạo và khả năng trí tuệ của con người [9].


Cao học CNHH - K14


- 21 

Đến khoảng thập niên 90, các hệ thống Trí tuệ nhân tạo phát triển mạnh với
các thành công về ứng dụng và thương mại của các hệ chuyên gia hỗ trợ quyết
định, gọi tắt là hệ hỗ trợ quyết định với những ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều
lónh vực của kỹ thuật, đời sống và xã hội như : Y học, vận hành quá trình và
thiết bị, tư vấn đầu tư xây dựng nhà máy và khu công nghiệp… Các hệ này được
xem như là kết quả mô phỏng bằng máy tính của sự kết hợp xử lý tri thức – dữ
liệu cùng với việc sử dụng các mô hình toán học [20].
Về cấu trúc, hệ hỗ trợ quyết định đặc trưng bởi các thành phần là Cơ sở tri
thức và Mô tơ suy diễn . Trong đó “Cơ sở tri thức” là mô phỏng của đối tượng
công nghệ ở dạng mô hình tri thức ở dạng các sự kiện và luật. “Mô tơ suy diễn”
mô phỏng những phương pháp suy luận dựa trên tri thức của con người. Ngoài
ra, có thể có những thành phần khác để bổ sung cho tính tiện dụng và hiệu quả
của quá trình hỗ trợ quyết định.
3.2. Mô tơ suy diễn

Mô tơ suy diễn (Inference Engine) là bộ xử lý của hệ hỗ trợ quyết định nhằm
khớp các sự kiện trong bộ nhớ với tri thức trong cơ sở tri thức để rút ra các kết
luận về vấn đề đang xét.
Ở các nước tiên tiến, các hệ hỗ trợ quyết định đã được áp dụng vào các hệ
thống điều khiển thông minh như các hệ điều khiển ô tô [21], hệ điều khiển
Water-Chiller cho tàu chiến Hải quân Mỹ [26.2]… trong đó các cơ chế suy diễn
đã được xây dựng thành công và hoạt động rất hiệu quả.
Một số nhóm nghiên cứu về Trí tuệ nhân tạo còn xây dựng các hệ “vỏ”
(Shell), có sẵn các công cụ và cơ chế suy diễn cần thiết và thích hợp với một số
loại bài toán xử lý tri thức nào đó. Người sử dụng sẽ tự tích hợp tri thức vào hệ
vỏ để chuyển thành hệ ứng dụng. Giá thành các hệ “vỏ” chỉ khoảng 500 –

Cao học CNHH - K14


- 22 

3000USD. Ngược lại, các hệ hỗ trợ quyết định ứng dụng có tích hợp tri thức
chuyên ngành thường có giá thành rất cao, đến hàng chục ngàn USD [27].
3.3. Cơ sở tri thức
Lý do của sự chênh lệch giá thành giữa các hệ “vỏ” và hệ ứng dụng đã được
giải thích bởi các nghiên cứu chuyên sâu về Trí tuệ nhân tạo : “ Sức mạnh giải
quyết vấn đề phô diễn bởi một cá thể thông minh trước hết phải là hệ quả của cơ
sở tri thức của nó, và chỉ sau đó mới là hệ quả của sự tinh vi trong các phương
pháp suy luận được áp dụng…” (Edward Feigenbaum, Stanford University) [9].
Thông thường, tri thức mà các hệ hỗ trợ quyết định có được là nhờ khai thác
từ các chuyên gia bằng các kỹ thuật phỏng vấn [9] (hình H1.3).
Dữ liệu bài toán
Câu hỏi
Chuyên gia

Kỹ sư máy tính

Tri thức đã
hình thức hóa

Cơ sở tri thức

Tri thức
Câu trả lời
H1.3. Thu nạp tri thức cho hệ hỗ trợ quyết định
Kỹ thuật thu nạp tri thức nhờ phỏng vấn gặp rất nhiều khó khăn do [7]:
•

Tri thức không được biểu diễn tường minh hoặc không đầy đủ, chủ yếu
là do nhiều vấn đề trong tri thức chuyên gia đã trở thành thói quen và
kinh nghiệm qua quá trình làm việc .

•

Tri thức không được cô đọng, nhiều chuyên gia có thói quen diễn giải
quá rộng hoặc quá sâu về một vấn đề hay quyết định nào đó. Thậm chí
có nhiều tri thức không liên quan đến vấn đề đang xét.


Cao học CNHH - K14


- 23 

•

Tri thức không chính xác, thông thường chuyên gia không giải quyết
vấn đề bằng các phương pháp hình thức nên rất khó khẳng định tính
chính xác của thông tin.

Kỹ sư máy tính thường không có đủ chuyên môn để hiểu và đi sâu vào những
vấn đề thuộc về bản chất và nguyên lý của hệ thống công nghệ thông qua các
câu hỏi. Do đó, việc mô hình hóa hệ thống công nghệ bằng các công cụ hình
thức phải qua rất nhiều công đoạn tinh chỉnh, thử - và - sai (trail & error)…
nhưng cũng rất khó đảm bảo tương thích với hệ thống thực tế và mất thời gian.
Tất cả khó khăn kể trên đều xuất phát từ một nguyên nhân cơ bản, đó là việc
các kỹ sư máy tính đã không trực tiếp làm việc trên hệ thống công nghệ để xây
dựng các quan hệ của các đối tượng cần điều khiển trong hệ thốn g mà phải
thông qua trung gian chuyên gia vận hành.
Các vấn đề bất cập trong việc tiếp cận xây dựng các hệ hỗ trợ quyết định đã
đòi hỏi phải có một phương pháp tích lũy Tri thức chặt chẽ và rõ ràng hơn.
4. TIẾP CẬN HỆ THỐNG
Các hoạt động tích lũy tri thức , suy luận và ra quyết định của chuyên gia luôn
gắn liền với việc xây dựng cấu trúc phân tầng của hệ thống ; phân tích các sự
kiện, đại lượng định tính của đối tượng công nghệ ; xây dựng và liên tục bổ sung
các quan hệ nhằm điều khiển – vận hành đối tượng một cách tối ưu…
Như vậy, hoàn toàn tự nhiên, cách giải quyết vấn đề của chuyên gia đều
thực hiện trên đối tượng công nghệ theo nguyên tắc tiếp cận hệ thống với các tác
vụ đặc thù như phân hoạch và tích hợp, mô hình hóa và tối ưu hóa… Do đó, việc
áp dụng Tiếp cận hệ thống sẽ cho phép đưa ra các chiến lược nghiên cứu đối
tượng công nghệ trong việc xây dựng các hệ hỗ trợ quyết định nhờ tri thức .


Cao hoïc CNHH - K14

- 24 

4.1. Hệ thống [15]
4.1.1. Khái niệm
Hệ thống S nằm trong môi trường E là tập hợp các phần tử Si tương tác với
nhau tạo thành cấu trúc nội tại của S và tương tác với E tạo thành quan hệ với
môi trường bên ngoài.
4.1.2. Phân hoạch & tích hợp hệ thống
Nghiên cứu một hệ thống hoặc điều khiển một hệ thống luôn luôn gắn liền
với việc phân tầng hệ thống theo hướng phân hoạch hoặc tích hợp. Khi đó quá
trình tiếp cận hệ thống sẽ phải giải quyết các vấn đề đặt ra trên cơ sở hai
phương pháp luận đặc thù: phân tích hệ thống và tổng hợp hệ thống.
Tất cả các hệ thống đều có thể phân hoạch thành nhiều phần nhỏ. Mỗi phần
nhỏ sau khi phân hoạch cũng là một hệ thống. Mặt khác nhiều hệ thống có thể
tích hợp thành một thực thể mới. Thực thể nhận được từ sự tích hợp cũng là một
hệ thống có cấu trúc và số lượng các phần tử khác với những hệ thống ban đầu.
4.1.3. Sự vận động của hệ thống
Sự vận độn g của hệ thống gắn liền với các khái niệm trạng thái, quá trình và
quỹ đạo vận động. Trạng thái của hệ đặc trưng cho sự tồn tại thực của hệ thống
tại một thời điểm xác định. Tại các thời điểm khác nhau hệ thống có các trạng
thái khác nhau. Tập hợp các trạng thái của hệ theo thời gian hình thành quỹ đạo
vận động của hệ và đặc trưng cho các quá trình được thực hiện trong hệ thống
đang xét.
Khi làm việc với các hệ thống công nghệ, con người thực hiện chức năng vận
hành hệ thống, định hướng để hệ thống vận động theo quỹ đạo mang lại hiệu


Cao học CNHH - K14

- 25 

quả kinh tế xã hội. Để đạt được mục tiêu đó phải tiến hành kiểm soát, điều
khiển sự vận độn g của hệ thống công nghệ.
4.1.4. Tính lưỡng nguyên của hệ thống
Trong sự vận động của hệ thống, mỗi trạng thái được xác lập theo những
điều kiện tồn tại của hệ thống. Rất nhiều đặc trưng của các trạng thái được xác
lập chính xác khi những điều kiện tồn tại của hệ thống đã được quy định cụ thể.
Như vậy do tuân theo định luật bảo toàn vật chất nói riêng và những định luật cơ
bản khác của vật lý, hóa lý … nói chung hệ thống có bản chất thực định, nghóa là
ở những điều kiện tồn tại xác định, các đặc trưng trạng thái của hệ thống cũng
được xác định và xác định đơn trị.
Cùng tồn tại với đặc tính thực định hệ thống còn có đặc tính phỏng định hay
còn gọi là đặc tính ngẫu nhiên. Với đặc tính phỏng định, khi các điều kiện tồn
tại đã được xác định cụ thể nhưng các đặc trưng trạng thái của hệ thống vẫn đa
trị, tức là không xác định, không duy nhất.
4.1.5 Bậc tự do của hệ thống
Số bậc tự do của hệ thống là số quan hệ cần phải được bổ sung vào tập hợp
các quan hệ để trạng thái của hệ thống được xác định hoàn toàn và đơn trị.
Nếu số bậc tự do của hệ thống bằng không, hệ thống được gọi là xác định
hoặc thực định. Những quan hệ đã biết của hệ thống đủ cho phép xác định đơn
trị trạng thái của hệ thống.
Nếu số bậc tự do của hệ thống có giá trị dương, hệ thống được gọi là khả
định. Trạng thái của hệ thống có thể được xác định đơn trị nếu bổ sung thêm
một số quan hệ bằng với số bậc tự do. Những hệ thống khả định cũng thường
mang tính phỏng định, nhất là khi tồn tại những yếu tố ngẫu nhiên trong hệ



Cao học CNHH - K14


- 26 

thống. Số các quan hệ cần phải có để đặc trưng đầy đủ các trạng thái ngẫu nhiên
thường bất định (vô cùng lớn) nên trạng thái của hệ thống trở nên đa trị.
Nếu số bậc tự do của hệ thống có giá trị âm, hệ thống được gọi là bất khả
định. Nói chung không thể xác định được một trạng thái xác thực nào tồn tại với
những hệ thôn g có số bậc tự do âm vì số quan hệ bắt buộc phải tuân theo quá
lớn. Trong trường hợp này muốn can thiệp vào hệ thống cần phải loại bỏ bớt một
số quan hệ.
4.2. Tiếp cận hệ thống
4.2.1. Nguyên tắc cơ bản
Phương pháp luận tiếp cận hệ thống luôn luôn tuân thủ nguyên tắc cơ bản :
mọi đối tượng nghiên cứu đều là các hệ thống. Nói cách khác mỗi đối tượng
đều phải được nhìn nhận như một tập hợp các phần tử, các quan hệ và có đầy đủ
các thuộc tính cơ bản của hệ thống.
4.2.2. Các phương thức tiếp cận
Tiếp cận công nghệ : còn gọi là tiếp cận hệ thống bằng tri thức khoa học
chuyên ngàn h. Hệ thống được xem xét nghiên cứu dựa trên cơ sở tri thức chuyên
ngành. Ngôn ngữ mô tả đối tượng được sử dụng là ngôn ngữ chuyên môn với các
từ khóa, giá trị, thuộc tính đặc trưng của từng đối tượng được nghiên cứu . Phân
hoạch đối tượng nghiên cứu để xác định vấn đề phải giải quyết thuộc phạm vi
nào của cấu trúc phân tầng sẽ dẫn tới những lựa chọn các lónh vực tri thức
chuyên ngành thích hợp để thực hiện tiếp cận công nghệ đạt được các hiệu quả
mong muốn. Với tiếp cận công nghệ các phần tử và các quan hệ của hệ thống sẽ
được chỉ ra cụ thể hơn và khái niệm về hệ thống sẽ phản ánh rõ nét hơn bản
chất hoá lý của đối tượng.


Cao học CNHH - K14