Integration of intelligent systems in development of smart adaptive systems:linguistic equation approach

Abstract Smart adaptive systems provide advanced tools for monitoring, control, diagnostics and management of nonlinear multivariate processes. Data mining with a multitude of methodologies is a good basis for the integration of intelligent systems. Small, specialised systems have a large number of feasible solutions, but highly complex systems require domain expertise and more compact approaches at the basic level. Linguistic equation (LE) approach originating from fuzzy logic is an efficient technique for these problems. This research is focused on the smart adaptive applications, where different intelligent modules are used in a smart way. The nonlinear scaling methodology based on advanced statistical analysis is the corner stone in representing the variable meanings in a compact way to introduce intelligent indices for control and diagnostics. The new constraint handling together with generalised norms and moments facilitates recursive parameter estimation approaches for the adaptive scaling. Well-known linear methodologies are used for the steady state, dynamic and case-based modelling in connection with the cascade and interactive structures in building complex large scale applications. To achieve insight and robustness the parameters are defined separately for the scaling and the interactions. The LE based intelligent analysers are useful in the multilevel LE control and diagnostics: the LE control is enhanced with the intelligent analysers, adaptive and model-based modules and high level control. The operating area is extended with the predefined adaptation and specific events activate appropriate control actions. The condition, stress and trend indices are used for the detection of operating conditions. The same overall structure is extended to the scheduling and managerial decision support. The linguistic representation becomes increasingly important when the human interaction is essential. The new scaling approach is used in control and diagnostic applications and discussed in connection with previous multivariate modelling cases. The LE based intelligent analysers are the key modules of the system integration, which produces hybrid systems: fuzzy systems move gradually to higher levels, neural networks and evolutionary computing are used for tuning. The overall system is reinforced with advanced statistical analysis, signal processing, feature extraction, classification and mechanistic modelling.Tiivistelmä Viisaat mukautuvat järjestelmät sisältävät kehittyneitä työkaluja epälineaaristen monimuuttujaisten prosessien valvontaan, säätöön, diagnostiikkaan ja johtamiseen. Laajaan menetelmäpohjaan perustuva tiedonrikastus on pohjana älykkäiden järjestelmien yhdistämiselle. Pienille erikoistuneille järjestelmille on monia toteutettavissa olevia ratkaisuja, mutta erittäin monimutkaiset järjestelmät vaativat alan asiantuntemusta ja kompakteja lähestymistapoja perustasolla. Sumeaan logiikkaan pohjautuva lingvististen yhtälöiden (linguistic equation, LE) menetelmä on tehokas ratkaisu näissä ongelma-alueissa. Tämä tutkimus kohdistuu viisaisiin mukautuviin sovelluksiin, jossa useita älykkäitä moduuleja käytetään yhdessä viisaalla tavalla. Kehittyneeseen tilastolliseen analyysiin perustuva epälineaarinen skaalausmenetelmä muodostaa ratkaisun kulmakiven: muuttujien merkitykset soveltuvat säädössä ja diagnostiikassa käytettävien älykkäiden indeksien kehittämiseen. Uudet rajoituksien käsittelymenetelmät yhdessä yleistettyjen normien ja momenttien kanssa mahdollistavat rekursiivisen parametriestimoinnin olosuhteisiin mukautuvassa skaalauksessa. Tunnettuja lineaarisia menetelmiä käytetään staattisessa, dynaamisessa ja tapauspohjaisessa mallintamisessa, jossa kaskadi- ja vuorovaikutusrakenteet laajentavat mallit tarvittaessa monimutkaisiin sovelluksiin. Prosessituntemuksen ja järjestelmien robustisuuden varmistamiseksi parametrit määritellään erikseen skaalausta ja vuorovaikutuksia varten. LE-pohjaiset älykkäät analysaattorit ovat hyödyllisiä monitasoisessa säädössä ja diagnostiikassa: LE-säätöä parannetaan älykkäiden analysaattorien, adaptiivisten ja mallipohjaisten moduulien sekä ylemmän tason säädön avulla. Käyttöaluetta laajennetaan ennalta määrätyllä adaptoinnilla sekä tiettyjen tapahtumien aktivoimilla erityisillä säätötoimenpiteillä. Kunto-, rasitus- ja trendi-indeksejä käytetään olosuhteiden tunnistamiseen. Sama rakenne laajennetaan tuotannon ajoitukseen ja päätöksenteontukeen, jossa inhimillisen vuorovaikutuksen käsittely tekee lingvistisen esityksen yhä tärkeämmäksi. Uutta skaalausmenetelmää tarkastellaan säätö- ja diagnostiikkasovelluksissa sekä vertaillaan lyhyesti sen käyttömahdollisuuksia aikaisemmin toteutetuissa monimuuttujamalleissa. LE-pohjaiset älykkäät analysaattorit ovat keskeisiä integroitaessa moduuleja hybridiratkaisuiksi: sumeat järjestelmät siirtyvät vähitellen ylemmille tasoille ja neuro- ja evoluutiolaskennassa keskitytään järjestelmien viritykseen. Kokonaisjärjestelmää vahvistetaan kehittyneellä tilastollisella analyysilla, signaalinkäsittelyllä, piirteiden erottamisella, luokittelulla ja mekanistisella mallintamisella