Развитие технологий в области искусственного интеллекта

Введение

В настоящее время роль трубопроводного транспорта при поставках углеводородного сырья на отечественные предприятия, в страны ближнего и дальнего зарубежья является важнейшей. А сам трубопроводный траспорт является предметом не только научных и экономических, но и политических исследований.
Степень надёжности трубопроводного транспорта во многом определяет стабильность обеспечения регионов России важнейшими топливноэнергетическими ресурсами.
В данной статье рассматриваются научные основы формирования и использования баз знаний и банков данных при проектировании, строительстве и функционировании систем трубопроводного транспорта.
Статья включает в себя введение, пять разделов и выводы.
В первом разделе рассматривается порядок формирования перспективной базы знаний, анализируются системы знаний в области трубопроводного транспорта, а также перечислены основные направления формирования базы знаний в области трубопроводного нефти и нефтепродуктов (ТТННП);
Второй раздел посвящен рассмотрению и анализу фундаментальных основ базы знаний в области ТТННП, их социально-экономические аспекты, базы знаний о рисках, защищенности и безопасности.
В третьем разделе приведены расчеты в области интегральных основ баз знаний по обеспечению безопасности и защищенности системы ТТННП с использованием критериев рисков.
В четвертом разделе представлена общая структура баз знаний для анализа и управления безопасностью по параметрам риска, преведены рачеты в области баз знаний по анализу напряженно-деформированных и предельных состояниях.
В пятом разделе систематизирована информация по формированию банков данных, по реализации баз знаний, схематически представлена и описана структура банков данных для реализации базы знаний.
Базы знаний и банки данных в настоящее время приобретают все большее значение в передовых отраслях науки, техники и технологий. Фактически они являются основой развития технологий искусственного интеллекта, а именно инженерии знаний, которая, по сути, и представляет собой область науки, связанную с разработкой экспертных систем и баз знаний.
Развитие технологий в области искусственного интеллекта – наиболее перспективная и важная научно-техническая задача в мировом масштабе. Так, если в 2017 году национальную стратегию развития искусственного интеллекта приняли пять стран, то в течение 2018–2019 гг. – уже 30 стран. В России в 2019 году также был разработан проект национальной стратегии развития искусственного интеллекта.
На основании структуры анализируемой статьи структура реферата представлена введением, пятью разделами и заключением.

Формирование перспективной базы знаний
Прежде чем перейти к изучению данной статьи, приведем определения основных понятий, используемых в названии статьи.
Согласно определению, представленному в данной статье, база знаний – это накопленная в процессе научных и прикладных исследований систематизированная интегрированная информация об определяющих закономерностях развития процессов, о критериях и уравнениях для анализа функционирования сложной социальноприродно-техногенной (С-П-Т) системы в целях достижения заданных параметров в соответствующей сфере жизнедеятельности и жизнеобеспечения.
Банки данных рассматриваются как исходная информационная основа реализации баз знаний и определяются как система специально созданных, организованных и реализованных информационных потоков и совокупности конкретной информационной среды, необходимых для развития и реализации баз знаний при решении прикладных задач в соответствующих областях научной и практической деятельности.
Перед описанием процесса формирования перспективной базы знаний автор указывает на то, что концепции и стратегии национальной безопасности, научно-технологического развития, законодательство в сфере безопасности, и стратегического планирования определяют круг задач в области функционирования действующих и создания новых систем ТТУ.
Эти задачи нашли отражение в стратегиях развития трубопроводного транспорта до 2025–2030 гг. на уровне ведомств (Минэнерго, Минстрой, Минприроды, Минрегион) и крупнейших российских компаний («Транснефть», «Газпром», «Роснефть», «Новатэк», «Лукойл» и др.). Научную поддержку реализации указанных стратегий должны обеспечить академические институты и головные научные организации.
Эти стратегические приоритеты должны реализовываться в рамках сложной С-П-Т системы с учетом особенностей развития каждого из ее компонентов (С – социального, П – природного, Т – техногенного).
Фундаментальными исследованиями закономерностей развития С-П-Т системы в нашей стране на протяжении почти трех столетий занималась Академия наук.
Автором разработана структурная схема формирования и последующей реализации баз знаний и банков данных для ТТУ. Схема представлена на рис. 1.
В настоящее время в ведущих организациях страны начаты разработки опытных вариантов баз знаний по ключевым вопросам науки, техники и промышленности. Например, в ПАО «Транснефть» создана и эффективно функционирует автоматизированная система управления технологическими процессами. В Институте машиноведения РАН формируется база знаний в области прочности, ресурса, надежности и безопасности объектов техносферы.

Рисунок 1 – Структурная схема постановки проблем и формирования баз знаний и баз данных

По мнению автора при создании базы знаний в области ТТННП целесообразно исходить из определенной структуры и соответствующей ей номенклатуры основных направлений. Здесь возможны два варианта:
использование и совершенствование традиционной, сложившейся на предыдущих этапах, схемы развития системы ТТННП «от простого к сложному», характеризущаяся всевозрастающими требованиями к прочности, долговечности, надежности, живучести объектов ТТННП. Автор представил ее в своей статье;
 создание новой базы знаний, которая ориентирована на актуальные интегральные требования государства к нефтепроводной отрасли в области промышленной и экономической безопасности, учитывающей социально-экономические и природно-техногенные риски различного уровня.
Второй вариант, по мнению автора, наболее перспективный до 2025–2030 гг., при этом при его реализации требуется использование разработок, которые будут выполнены в соответствии с первым вариантом. Также принципиальное значение имеют основополагающие федеральные документы и ряд международных документов. Например, рамочная программа ООН по снижению риска стихийных бедствий до 2030 года («Хиого-2»).
В структуру базы знаний, создаваемой по второму варианту, можно включить следующие основные компоненты:
– понятийный аппарат с учетом официально принятых междисциплинарных и межотраслевых, а также специальных, содержащихся в документах ПАО «Транснефть»;
– новая схема категорирования объектов ТТННП по уровню опасности и масштабу возможных аварий при функционировании объектов в С-П-Т системе на всех стадиях жизненного цикла;
– декомпозиция ТТННП методом «сверху вниз» по степени критичности всех основных компонентов;
– структура сценариев и расчетных случаев, расчетных схем, компонентов ТТННП и стадий жизненного цикла с учетом проектных, непроектных, запроектных и гипотетических опасных ситуаций;
– единая система дифференциальных и интегральных критериев для принятия научно-обоснованных решений о разработках концепций, стратегий, программ, планов, технико-экономических обоснований, технических заданий, эскизных и рабочих проектов, экспертиз и заключений по объектам ТТННП;
– унифицированная система предельных состояний, определяющих уравнений и их параметров для количественного расчетно-экспериментального определения, нормирования, регулирования и надзора за соответствием объектов ТТННП установленным требованиям;
– обобщенная структура и состав требований к банкам данных для реализации баз знаний при научно обоснованном создании новых и продлении сроков службы функционирующих объектов ТТННП с учетом приемлемых рисков.
Таким образом, в данном разделе рассмотрена разработанная автором статьи структурная схема формирования и последующей реализации баз знаний и банков данных для ТТУ, а также структура базы знаний по проблемам трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов с описанием ее компонентов.

Фундаментальные основы базы знаний в области ТТННП
В данном разделе рассмотрим фундаментальные основы базы знаний в области ТТННП, а также особенности формирования этой базы знаний.
В соответствии с требованиями федерального законодательства и с учетом стратегических приоритетов – повышения социально экономического уровня жизни и обеспечения национальной безопасности – в базе знаний в области ТТННП ключевое значение имеют следующие социально-экономические характеристики:
–  V(τ) - экономические показатели функционирования во времени τ трубопроводного транспорта в виде валового продукта ПАО «Транснефть», являющегося составной частью внутреннего валового продукта страны;
– N(τ) - сохранение жизни и здоровья персонала и населения в штатных и нештатных ситуациях функционирования объектов ТТННП.
При традиционных подходах, стратегиях и концепциях развития потенциальные и возникающие риски R(τ), как правило, не учитывались в прямой форме в прогнозных и фактических показателях развития страны и отрасли.
Такой учет предложен в форме снижения V(τ) и N(τ) вследствие рисков R(τ), экономических ущербов UV(τ) и потерь человеческих жизней UN(τ) при реализации опасных, кризисных, аварийных и катастрофических процессов
Все величины относились к интервалу времени Δτ и рассматривались как ежегодные

. Для обеспечения устойчивого развития ТТННП в интервале прогнозного времени от начального τ0 до конечного τк необходимо, чтобы величины VR(τ) и NR(τ) росли (τ0 ≤τ≤τк), при этом потери UV(τ) и UN(τ), а также риски RV(τ) и RN(τ) снижались.
Это означает, что ежегодные темпы экономического роста ΔN(τ) должны превышать темпы роста экономических рисков RV(τ).
Такие условия характеризуют экономическую составляющую первого стратегического приоритета (повышения социальноэкономического уровня жизни), а также социальную составляющую.
Вся система выражений, где учитываются факторы риска RV(τ), RN(τ) характеризует состояние и развитие разработок по обеспечению безопасности ТТННП на национальном, региональном, отраслевом, объектовом и индивидуальном уровнях.
В базе знаний по анализу текущей и перспективной деятельности ПАО «Транснефть» и ООО «НИИ Транснефть» должны получить отражение основные компоненты структуры базы знаний по проблемам ТТННП.
В соответствии с вышеописанными условиями, приоритеты и цели развития увязываются с формированием и реализацией рисков R(τ) на каждой стадии жизненного цикла создаваемых и функционирующих объектов ТТННП и структур управления развитием системы ТТННП с учетом требований и исходных данных из источника «Безопасность России».
Риски R(τ) в самом общем виде трактуются как функционал двух основных параметров: – вероятностей (частот) R(τ) возникновения нештатных ситуаций, неблагоприятных процессов, событий, явлений (опасностей, кризисов, угроз, повреждений, отказов, аварий, катастроф);– ущербов U(τ), сопутствующих указанным процессам, событиям, явлениям:
R(τ) = FR{P(τ)U(τ)} (1)
Выражение (1) является определяющим для смыслового и количественного определения рисков. В простейших формах функционал FR в (1) для i-события представляется в виде:
Ri(τ) = Pi (τ)Ui (τ) (2)
Для ряда связанных и несвязанных событий n (1≤i≤n) на основе (1) и (2) можно проводить суммирование рисков Ri (τ).
Для сложных систем ТТННП и сценариев их функционирования при наличии аналитических связей между P(τ) и U(τ) может выполняться интегрирование с целью оценки интегральных рисков. Научные основы анализа рисков и проблем безопасности отражены в специальных четырех томах серии «Безопасность России». Исходными при этом являются статистические или вероятностные зависимости между вероятностями P(τ) возникновения нештатных ситуаций и сопутствующими им ущербами U(τ) (рис. 2).

1405890-5715


Рисунок 2 – Связь между вероятностями нештатных ситуаций и ущербом
Эти зависимости для целого ряда объектов близки к степенным: где mτ – показатель степени (0,2 ≤ mi≤ 0,5); постоянная Ci зависит от типа и назначения трубопроводного объекта транспорта.
Применительно к ТТГ и ТТННП в мире получена обширная информация о постепенном снижении во времени τ вероятности P(τ) отказов, повреждений и разрушений на 1000 км/год трубопроводов (рис. 3).

Рисунок 3 – Тенденция изменения аварийности в системе
трубопроводного транспорта по годам

Этому способствовал целый комплекс конструктивно-технологических и эксплуатационных мероприятий. Аппроксимация зависимости P(τ) oт τ показывает приемлемость использования при анализе безопасности трубопроводного транспорта степенного или экспоненциального уравнения. На первой стадии формирования баз знаний можно использовать степенное выражение типа: где mτ, Cτ – константы трубопроводной системы (для ТТННП показатель степени mτ составляет примерно 0,40–0,45). Максимальный прямой ущерб Umax(τ)=Uk(τ) от наиболее тяжелых аварий в системе трубопроводного транспорта может достигать сотен миллионов и миллиардов рублей.
Если ввести запасы по рискам, то S(τ)≥[S(τ)] при Rэ (τ)≤[Rэ (τ)],
207264088900
(3)


где Rk(τ) – максимальные неприемлемые риски, характеризующие наиболее тяжелые случаи аварийных ситуаций;
[R(τ)] – приемлемые риски для данной стадии функционирования трубопроводного транспорта.
Выражение (3) является определяющим для оценки безопасности S(τ). Уровень защищенности Z(τ) объектов ТТННП от опасных ситуаций оценивается разницей между фактически складывающимися R(τ) и приемлемыми рисками:
Z(τ) ≥ [Z(τ)] = [R(τ)] – R(τ) ≥ 0 (4)

В соответствии с (4) при создании и функционировании ТТННП необходимым является такое обеспечение состояния всей системы защищенности, при котором она находится в зоне приемлемых рисков [R(τ)], отвечающих условиям безопасности по (3).
Если принять Rk(τ) = Umax(τ) = Uk(τ), величину nR на заданном (nR ≥ 1) уровне, то приемлемые риски [R(τ)] можно назначать по (3).
В настоящее время в целом ряде случаев в нашей стране и за рубежом выполняется неравенство Rэ (τ)>[R(τ)], поэтому в предстоящие годы следует осуществить комплекс мероприятий по снижению рисков Rэ (τ) до приемлемого уровня [R(τ)] с ежегодными затратами ZR(τ).
На современном этапе развития ТТННП в комплекс мероприятий, направленных на снижение рисков до приемлемого уровня, обеспечение безопасности и защищенности в качестве первоочередных следует включить научные исследования и научные обоснования ООО «НИИ Транснефть» с затратами ZR. Коэффициент затрат на эти исследования и обоснования в течение 2018–2020 гг. можно принять на уровне 0,3–0,4. Затраты на формирование баз знаний и банков данных в этот период могут быть оценены как

1739265-167640 (5)
Величину доли затрат Кδ можно принять равной 0,05–0,1.
Таким образом, при разработке и реализации программ и планов развития ТТННП с учетом современных требований и результатов разработок следует проводить анализ приемлемых величин ущербов [U(τ)], вероятностей [P(τ)] и сроков функционирования [τ] основных структур и объектов с учетом соответствующих приемлемых областей (рис. 2 и 3).
Для реализации такого подхода в программах и планах развития системы ТТННП расчетным образом должны быть обоснованы необходимые мероприятия и величины [P(τ)], [U(τ)], [R(τ)] для оценки в приемлемых пределах безопасности [S(τ)], защищенности [ZR(τ)]. Эти мероприятия требуют соответствующих научно обоснованных затрат ZR(τ) на снижение рисков, ZR, Н(τ) на проведение научных исследований и ZR δ (τ) на создание баз знаний.


Интегральные основы баз знаний по обеспечению безопасности и защищенности системы ТТННП с использованием критериев рисков

Базовыми критериями создания и функционирования системы ТТННП с учетом основополагающих федеральных документов являются ее безопасность S(τ) и защищенность Z(τ) от опасных процессов, событий и явлений. Величины S(τ) и Z(τ) определяются в соответствии с общей системой выражений с включением трех групп рисков – формирующихся R(τ), критических Rк(τ) и приемлемых [R(τ)] .
В величины рисков R(τ) по входят два основных параметра (рис. 2, 3):
– вероятности (частоты) P(τ) неблагоприятных, опасных процессов, явлений и событий;
– соответствующие им ущербы U(τ).
Так как ТТННП – одна из составляющих сложной С-П-Т системы жизнедеятельности, то P(τ) и R(τ) в общем случае подлежат определению с учетом человеческого (ч), природного (п) и техногенного (т) факторов:
R(τ) = FR{Rч(τ), Rп(τ), Rт(τ)},
P(τ) = Fр{Pч(τ), Pп(τ), Pт(τ)}, (6)
U(τ) = FU{Uч(τ), Uп(τ), Uт(τ)}.
Эти факторы подлежат учету при формировании программ и планов развития. В настоящее время в нашей стране и за рубежом большое внимание уделяется проблемам техногенной безопасности Sт(τ), защищенности ZRт (τ) по критериям техногенных рисков Rт(τ) от техногенных отказов, аварий и катастроф, вызываемых повреждениями и разрушениями несущих элементов ТТННП.
Основными источниками и причинами техногенных аварий и катастроф в системе ТТННП являются:
– опасное неконтролируемое выделение энергии E(τ) – механической, тепловой, ударной, акустической;
– опасные неконтролируемые выбросы опасных веществ W(τ) – нефти и нефтепродуктов – в окружающую природную среду (воздух, почву, воду);
– опасное нарушение информационных потоков I(τ) в системах контроля состояния трубопроводов, управления и регулирования ими.
Таким образом, человеческие, природные и техногенные факторы являются основными с позиций возникновения (источники и причины) отказов, аварий и катастроф с нанесением ущербов человеку Uч(τ), природе Uп(τ) и техносфере Uт(τ) при соответствующих вероятностях P(τ), Pч(τ), Pп(τ), Pт(τ)