Redesign Support Framework for Complex Technical Processes

Els processos industrials requereixen avaluacions periòdiques per a verificar la seva correcta operació en termes tècnics i econòmics. Aquestes avaluacions són necessàries a causa de els canvis en els mercats i en la legislació ambiental i de seguretat. Per a satisfer aquestes demandes és necessari investigar les alternatives dels processos que permetin l'ús òptim dels recursos existents amb la mínima inversió econòmica possible. Aquesta tasca es coneix com redisseny, que és un procediment per a determinar possibles canvis en un procés existent per a millorar-lo pel en alguna mètrica, tal com econòmica, ambiental, de seguretat, etc. <br/><br/>En aquesta tesi es proposa un marc d'ajuda al redisseny per a processos tècnics. Aquest marc fa ús d'una representació jeràrquica de models múltiples del procés que es re dissenyarà en conjunció amb un motor que raonament basat en casos per a ajudar a decidir quins elements del procés han de ser modificats. El marc consisteix en quatre etapes principals: adquisició de la descripció del disseny, identificació de candidats, generació d'alternatives, i adaptació i avaluació d'alternatives.<br/><br/>El procés original es modela jeràrquicament emprant conceptes de mitjans-fins i parts-tot. Així el coneixement sobre el comportament, l'estructura, la funció i l'objectiu de cadascuna de les parts del procés es genera i s'emmagatzema automàticament. Donat les noves especificacions o requisits que el procés ha de satisfer, el sistema troba les parts del procés que ha de ser redissenyades. S'utilitza una llibreria de casos per a obtenir seccions alternatives del procés que es puguin adaptar per a substituir parts del procés original. Per tant, el marc proposat permet modelar el procés, identificar els components de procés viables a redissenyar, obtenir components alternatius i finalment adaptar aquests components alternatius en el procés original. Aquest procediment es pot veure com activitat d'enginyeria inversa on es generen models abstractes en diversos nivells a partir d'una descripció detallada d'un procés existent per a reduir la seva complexitat. El marc ha estat implementat i provat en el domini d'Enginyeria Química. Los procesos industriales requieren evaluaciones periódicas para verificar su correcta operación en términos técnicos y económicos. Estas evaluaciones son necesarias debido a los cambios en los mercados y en la legislación ambiental y de seguridad. Para satisfacer estas demandas es necesario investigar las alternativas de los procesos que permitan el uso óptimo de los recursos existentes con la mínima inversión económica posible. Esta tarea se conoce como rediseño, que es un procedimiento para determinar posibles cambios en un proceso existente para mejorarlo con respecto a alguna métrica, tal como económica, ambiental, de seguridad, etc.<br/><br/>En esta tesis se propone un marco de ayuda al rediseño para procesos técnicos. Este marco emplea una representación jerárquica de modelos múltiples del proceso que se rediseñará en conjunción con un motor que razonamiento basado en casos para ayudar a decidir qué elementos del proceso deben ser modificados. El marco consiste en cuatro etapas principales: adquisición de la descripción del diseño, identificación de candidatos, generación de alternativas, y adaptación y evaluación de alternativas. <br/><br/>El proceso original se modela jerárquicamente empleando conceptos de medios-fines y partes-todo. Así el conocimiento sobre el comportamiento, la estructura, la función y el objetivo de cada una de las parte del proceso se genera y se almacena automáticamente. Dado las nuevas especificaciones o requisitos que el proceso debe satisfacer, el sistema encuentra las partes del proceso que debe ser rediseñadas. Se utiliza una librería de casos para obtener secciones alternativas del proceso que se puedan adaptar para sustituir partes del proceso original. Por lo tanto, el marco propuesto permite modelar el proceso, identificar los componentes de proceso viables a rediseñar, obtener componentes alternativos y finalmente adaptar estos componentes alternativos en el proceso original. Este procedimiento se puede ver como actividad de ingeniería inversa donde se generan modelos abstractos en diversos niveles a partir de una descripción detallada de un proceso existente para reducir su complejidad. El marco ha sido implementado y probado en el dominio de Ingeniería Química. Industrial processes require periodic evaluations to verify their correct operation, both in technical and economical terms. These evaluations are necessary due to changes in the markets, and in safety and environmental legislation. In order to satisfy these demands it is necessary to investigate process alternatives that allow the optimal use of existing resources with the minimum possible investment. This task is known as redesign, which is a procedure to determine possible changes to an existing process in order to improve it with respect to some metric, such as economical, environmental, safety, etc.<br/><br/>A redesign support framework for technical processes is proposed in this thesis. This framework employs a multiple-model hierarchical representation of the process to be redesigned together with a case-based reasoning engine that helps to decide which elements of the process should be modified. The framework consists of four main stages: acquisition of the design description, identification of candidates, generation of alternatives, and adaptation and evaluation of alternatives.<br/><br/>The original process is modelled hierarchically exploiting means-end and part-whole concepts, and thus knowledge about the behaviour, structure, function and intention of each part of the process is automatically generated and stored. Given the new specifications or requirements that the process must fulfil, the system finds the parts of the process which must be redesigned and a case library is used to obtain alternative process sections which can be adapted to substitute parts of the original process. Therefore, the proposed framework allows to model the process, to identify process components suitable for redesign, to obtain alternative components, and finally, to adapt these components into the original process. This procedure can be seen as a reverse engineering activity where abstract models at different levels are generated from a detailed description of an existing process to reduce its complexity. The framework has been implemented and tested on the Chemical Engineering domain.