화학공장의 조작절차 합성을 위한 통합 프레임워크

허보경, 황규석

부산대학교 화학공학과

An Integrated Framework for Operating Procedure Synthesis of Chemical Plants

Bo Kyeng Hou, Kyu Suk Hwang

Dept. of Chemical Eng., Pusan National Univ.

서 론

최근에 컴퓨터 응용기술의 발전으로 공정의 기초적인 제어뿐 아니라 화학공장의 자동화를 추구하여 많은 성과를 거두고 있다. 이러한 공장 자동화와 안전성 향상을 위해서는 start-up 및 shutdown의 조작절차 합성과 분석이 선행되어야 한다.

대부분의 조작절차 합성(Operating Procedure Synthesis, OPS) 시스템은 공정장치, 시스템, 그리고 구성요소에 대한 지식베이스를 사용하여 조작절차를 합성한다. 이러한 지식베이스는 공정에 적용될 수 있는 조작들(예, 밸브를 열어라)과 피해야 될 위험상황(예, 수소와 산소는 혼합되어서는 안 된다), 그리고 공정의 각 구성요소사이의 관계(예, pipe-1은 valve-1과 연결되어 있다)로 구성된다. 이러한 지식기반(knowledge-based) OPS의 장점은 지식베이스(knowledge base)의 지식을 재사용 할 수 있으며, 또한 플랜트의 수정 후에 OPS 시스템을 수정하는데 시간이 적게 든다는 장점을 가지고 있다.

OPS 시스템은 에러가 없는 조작절차를 합성하는데 도움을 주며 합성된 조작 절차의 에러는 그 절차를 만드는데 사용된 지식베이스로부터 논리적으로 규명할 수 있다. 또한 특정 공정에 대한 전문가들의 지식을 구조화, 문서화하여 보관하고 공유할 수 있다는 장점과 함께 운전자 교육용 시스템(OTS, Operator Training System)으로의 활용 뿐 아니라 이러한 OPS 시스템은 공정의 이상상황에 유연하게 대처할 수 있는 시스템으로 발전할 수 있을 것으로 예상된다(Fig. 1).

연구 목적

일반적으로 플랜트 디자인의 말기(final stage)에 작성되는 조작 절차의 검증 과정에서 플랜트의 조작 불가능 상태가 발견되면, 막대한 설계상의 조정비용을 감당해야 한다. 만일 이러한 검증을 디자인의 전 단계에서 고려한다면, 디자인의 오류를 초기에 제거할 수 있을 뿐 아니라 제작비용을 줄일 수 있다. 참고로 중간 정도의 공정에 대한 조작절차를 엔지니어들이 만드는데 소용되는 기간은 약 2년 정도 걸린다고 보고된바 있다.

따라서 본 연구에서는 기존 OPS 시스템의 문제점을 파악하고 실공정의 조작절차를 합성해 주며 대상지식이 바뀌는 경우나 대상공정의 자세한 지식이 없는 경우에도 쉽게 적용할 수 있는 방법을 개발하고자 한다.

Fig. . The process of responding to an abnormal situation

기존 OPS 시스템의 한계

기존의 OPS는 다음과 같은 가정을 전제로 개발되어 복잡한 공정의 조작절차를 합성하지 못하고 예제로 들고 있는 공정이외의 공정에 적용할 경우에 planner를 수정해야 되는 문제점을 가지고 있다.

1)조작의 효과는 조작되는 시점과 동시에 효력이 발생한다고 가정되기 때문에 시간경과에 의한 조작의 영향을 표현할 수 없다. 예를 들면 조작이 행하여지고 몇 분 후에 반응기가 overflow되는 조작의 효과는 나타내지 못한다.

2)병렬조작을 고려하지 않으며, 절차에 있어서 병렬로 조작되어야 할 조작은 순차적으로 표현되며, 그 효과는 동일하다고 가정한다. OPS분야에서 병렬조작을 다룰 수 있는 시스템은 없으며, 단지 AI 계획시스템에서 시도된 바 있다.

3)조작선택과 순서를 결정할 때 발생하는 조합폭발의 문제를 해결하기 위해서, 일반적으로 허용할 수 없는 규칙(예, Rivas와 Rudd의 positive operator)을 사용하는 경우가 많다. 이러한 규칙을 적용하는 경우에는 가능한 모든 해를 얻을 수 없으며, 이미 내정되어 있는 해답만을 얻을 뿐이다. 또한 어떤 경우에는 해답을 얻지 못하는 경우가 발생할 수 없음으로 Rivas와 Rudd는 조업지침을 입력받음으로 이러한 문제를 해결하고자 하였다.

4)역류(back flow)는 존재하지 않으며, 흐름의 방향은 시스템의 설계자가 의도한 대로 한 방향으로만 흐르도록 설계된다.

5)현재까지 개발된 OPS에 의해 합성된 조작절차의 실행결과가 안전한 경우에 적합한 것으로 받아들여지나, 조작자의 실수나 고장에 의한 공정의 상태를 안전하게 되돌려 주는 시스템은 개발되지 않았다.

새로운 조작절차 합성 프레임워크의 개발

OPS 시스템은 위험상황을 내포하고 있는 절차를 안전하게 복구시킬 수 있는 기능을 가지고 있어야 하며, 둘째 플랜트의 구조가 수정된 경우에 기존의 절차 중에서 영향을 받는 부분을 찾아서 안전한 플랜트의 운전을 보장하는 절차로 재구성할 수 있어야 한다. 그러나 전진추론 OPS는 조작절차의 맨 마지막에만 조작을 첨가할 수 있으므로 위 기능을 제대로 수행하지 못한다. 또한 룰 기반(rule-based) 시스템은 표준조작절차나 운전상태가 변화되는 경우에 해당되는 규칙(rule)을 재평가하여 구성해야 한다는 단점을 가지고 있다.

이와 같은 기존 OPS 시스템의 단점을 극복하기 위해 계층적 비선형 계획(Hierarchical Partial-Order Planner, HiPOP) 프레임워크(framework)를 개발한다(Fig.2).

HiPOP은 탐색공간을 최소화하기 위해 부분계획(partial plan) 생성 시에 제한조건 부가(constraint-posting)와 최소결정화 전략(least-commitment strategy)을 사용하고 부분계획들의 상호작용으로 인한 조작의 적합성과 안전성을 체크한다(Fig. 3).

Fig. 2. The components of HiPOP

기존 OPS 시스템은 계산해야 될 상태공간을 줄이기 위해서 조작 (operator)과 중간 목적상태(subgoal state)를 선택할 때 임의로 지정해 줌으로써 대상공정의 유효한 모든 조작절차를 합성해 주지 못한다. 그러나 HiPOP은 합당하지 못한 경험규칙(heuristic)을 사용하지 않으며 공정에 대한 불완전한(incomplete) 지식으로 조작절차를 합성한다.

HIPOP은 조작절차의 합성시에 조작에 대한 공정변화(action synergy)을 모사하기 위한 □process simulator"와 공정에서 발생할 수 있는 위험상황(global constraint)을 체크하는 □safety evaluator", 그리고 시간적인 제약조건(time constraint)을 체크하는 □temporal reasoning"을 이용하여 조작절차를 합성한다.

따라서, HiPOP은 대상공정이 바뀌는 경우에 쉽게 조작절차를 합성할 수 있고 기존 OPS 알고리즘이 가지고 있는 문제점을 해결함으로써 보다 실공정의 조작절차에 가까운 해답을 제시해 줄 수 있다.

[Procedure 비선형 계획수립]

Begin

Repeat ("역방향 계획수립□)

● 연결(Linking)

("현재 목표(노드)가 만일 계획망에 있는 기존 노드의 효과에 의해 달성될 수 있다면 두 노드사이의 연결이 계획망에 사이클을 만들지 않는 경우에 두 노드 사이의 연결선을 만든다□)

IF 연결이 실패하면

Begin

●확장(Expansion)

("현재 목표는 새로운 조작을 계획망에 도입함으로써 달성되며, 그 새로운 조작의 선행조건들은 달성해야 할 새로운 목표들이 된다□)

●충돌 감지 및 해결(Conflict detection, Resolution)

("확장으로 생성된 새로운 조작은 계획망 내의 병렬가지에 있는 모든 노드들과 비교하여 충돌을 감지하며 감지된 충돌은 즉시 해결한다□)

End

Until 더 이상 달성할 목표들이 없을 때

End ("비선형 계획수립□)

Fig. 3. A nonlinear planning algorithm of HiPOP

감사의 글

본 연구는 포항공과대학교 공정산업의 지능자동화 연구센터를 통한 한국과학재단 우수연구센터 지원금에 의한 것입니다.

참고문헌

1. Chapman, D.: "Planning for conjunction goals", Artificial Intelligence, 32(3), 287-301(1987)

2. Lakshmanan R. and Stephanopoulos G.: "Synthesis Of Operating Procedures for Complete Chemical Plants-I. Hierarchical Structural Modeling for Nonlinear Planning", Comp. & Chem. Eng., 12, 985-1002(1988)