Desenvolve-se um inovador método para diagnosticar falhas em sistemas industriais

Cristina G. Pedraz/DICYT Nesta linha se encontra a tese doutoral de Aníbal Bregón, pesquisador do Grupo de Sistemas Inteligentes da Universidade de Valladolid, que procura integrar as duas aproximações mais comuns para abordar o diagnóstico de falhas em sistemas industriais. Uma é a Inteligência ArtificiaI, cujo conjunto de técnicas é conhecido como DX, e a outra é a Teoria do Controle, denominada aproximação FDI. “A tese tem por objetivo integrar técnicas das duas comunidades para obter o melhor de cada uma”, explica o pesquisador, que contou em seu trabalho com a orientação dos professores Belarmino Pulido e Carlos Javier Alonso.

De modo simplificado, o diagnóstico de falhas tem três etapas. “Partimos da base de que é uma falha. Na industria do açúcar, por exemplo, uma falha pode ser um conduto bloqueado ou uma fuga em um tanque. Na nossa pesquisa tentamos detectar, primeiro, se foi uma falha; depois localizar em toda a instalação onde se produziu e, uma vez encontrada, determinar exatamente que tipo de falha é e seu valor”, detalha.

A Inteligência Artificial e o Controle Automático abordam esta questão a partir de diferentes perspectivas. Esta última, a aproximação FDI, “foca-se mais na primeira fase, na detecção”; enquanto a primeira, a DX, na qual o Grupo de Sistemas Inteligentes é especialista, aprofunda “no que chamamos de isolamento, saber onde está a falha concretamente”. “Se combinamos as duas técnicas podemos realizar um diagnóstico de falhas aproveitando a robustez proporcionada por cada uma nos distintos campos”, afirma Bregón.

A aproximação foi realizada através de uma técnica denominada Possíveis Conflitos (PCs). O diagnóstico baseado em modelos busca as redundâncias no sistema e pretende comprovar se são iguais, isso é, estimar por duas vias um valor e comprovar semelhanças. Se são distintos, é a origem da detecção de uma falha. Os Possíveis Conflitos buscam, então, as partes mais pequenas de um sistema que contenha essa redundância.

Muitas aplicações

Por tratar-se de uma disciplina de estudo inovadora, as possibilidades são muitas e diversas. Assim, ainda que a tese doutoral tenha sido iniciada em 2005 e defendida em maio do ano passado, as demonstrações práticas realizadas não foram apenas concluídas, mas ampliadas. As inovações introduzidas na tese foram aplicadas, por exemplo, em um motor de caminhão da firma sueca Scania AB. Concretamente, os algoritmos para o cálculo de Possíveis Conflitos foram utilizados sobre um modelo de motor Diesel.

Durante o desenvolvido da tese, o pesquisador colaborou com diversos grupos nacionais e internacionais e realizou cinco estágios no Instituto de Sistemas de Software Integrado (ISIS) da Universidade de Vanderbilt (Tennessee, Estados Unidos), no Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Linköping (Suécia) e no centro de pesquisa Ames da NASA (Califórnia, Estados Unidos).

“Existem várias maneiras de abordar o diagnóstico e estamos trabalhando nelas”, afirma Bregón, que indica que um dos campos nos quais está focado é o diagnóstico de sistemas híbridos, que possuem dinâmicas contínuas e discretas. “Por exemplo, se temos dois tanques e a água flui entre ambos, isso é uma dinâmica contínua. No entanto, se entre eles se coloca uma válvula que abre e fecha, então é uma dinâmica discreta”. Atualmente, a maior parte dos sistemas combina dinâmicas contínuas e discretas. Trata-se de sistemas complexos que guardam certas dificuldades, e o grupo abriu uma linha para trabalhar sobre estes.

Sistema de Osmose inversa

Um dos casos de estudo mais relevantes nos quais se trabalhou é o Sistema de Osmose Inversa que faz parte do Sistema Avançado de Reciclagem de Água (AWRS, em inglês) desenvolvido pelo Centro Espacial Johnson da NASA. O sistema é capaz de transformar a água residual em água potável em condições de microgravidade, o que é de suma importância para garantir o fornecimento no espaço e reduzir os enormes custos de reabastecimento. O AWRS faz parte, por sua vez, do Sistema de Suporte de Vida criado pela NASA para missões tripuladas e foi instalado na Estação Espacial Internacional.

A detecção de falhas nestes complexos e caros sistemas deve ser rápida e fiável, e para tanto desenvolveu-se, utilizando os Possíveis Conflitos como base, uma técnica para a identificação eficiente de falhas, que foi aplicada ao Sistema de Osmose Inversa com resultados “altamente satisfatórios”.

Nova linha de abastecimento de veículos espaciais

Atualmente o grupo começou a trabalhar em um tema bastante inovador, a prognose, que engloba o diagnóstico e dá “um passo a mais”. “Supondo que possuímos um sistema no qual houve uma falha, a prognose procura determinar qual será o comportamento futuro desse sistema, e decidir se pode continuar realizando sua tarefa corretamente na presença desta”. Inclusive, a prognose “deve determinar por quanto tempo o sistema poderá continuar funcionando”. Para tanto, “é preciso saber como a falha vai evoluir”, e somente é possível sabê-lo “com dados de quebras anteriores, o que é muito difícil de conseguir, ou modelos matemáticos da quebra”, enfatiza Aníbal Bregón.

Nesta complexa linha de pesquisa, o grupo trabalha com um sistema de abastecimento de combustível do Centro Espacial Kennedy da NASA. Este sistema “tem uma bomba centrífuga que se encarrega da delicada tarefa de abastecer com combustível os veículos espaciais”. Aplicando prognose sobre a bomba, “seremos capazes de decidir, ainda que ocorra uma falha, se a missão pode continuar ou se tem que ser abortada”.

Aplicação em um robô explorador da NASA

Além da aplicação em dois sistemas reais da NASA, como o Sistema de Osmose Inversa e a bomba de abastecimento de combustível para veículos espaciais, o grupo de pesquisadores da Universidade de Valladolid colabora com o organismo espacial americano em outra linha, o diagnóstico distribuído.

Enquanto o diagnóstico é tradicionalmente realizado de modo centralizado, isso é, “um único diagnosticador global se encarrega de tomar as decisões de diagnóstico em todo sistema”, o diagnóstico distribuído procura dividir este problema e fazer com que o processo de diagnóstico seja realizado “por vários diagnosticadores locais e independentes uns dos outros”. “Trata-se de realizar esta tarefa de maneira muito mais simples”, afirma Aníbal Bregón.

Para explicá-lo, o pesquisador dá como exemplo o funcionamento de um avião. “Em uma avião temos diversos componentes que podem falhar, como os motores ou as bombas de combustível. Normalmente todos os sensores do avião enviam suas medidas a uma unidade central de diagnóstico que se encarrega de tomar a decisão se algo falha, e determinar onde e como o fez. O problema, prossegue, “é que se esse diagnosticador central falha, o avião fica sem sistema de diagnóstico”.

Através do diagnóstico distribuído, “possuímos pequenos diagnosticadores locais de um componente ou subconjunto de componentes que são independentes entre si”. Ainda que este desenho traga consigo muitas dificuldades, as vantagens que oferece são “evidentes”. A mais importante, indica, está em que “se um diagnosticador local falha, esta falha não afeta os demais diagnosticadores, que podem continuar realizando sua tarefa sem problema”.

Atualmente o grupo trabalha em uma aproximação para o diagnóstico distribuído que utiliza Possíveis Conflitos e que está sendo testada em um Robô Rover do centro Ames da NASA. O Robô foi desenvolvido para missões de exploração na Antártida e, portanto, “é muito resistente a condições climáticas extremas e terrenos abruptos”. Aí está a importância de desenvolver um sistema de diagnóstico de falhas “robusto e eficiente”. Como afirma Bregón, os resultados obtidos “são promissores”.

Além dos casos em que foram desenvolvidas e provadas as inovações aportadas pela tese doutoral, é importante destacar o caráter de pesquisa do trabalho. Nesse sentido, participou-se de forma paralela de cinco projetos de pesquisa financiados pelo Ministério da Ciência e Inovação, Ministério da Educação e Junta de Castela e Leão, bem como pela Rede de Supervisão e Diagnóstico de Sistemas Complexos.

Por outro lado, foram realizadas demonstrações na própria Universidade de Valladolid. Em um delas colaborou-se com pesquisadores do Centro de Tecnologia Açucareira (CTA) a fim de proporcionar uma ferramenta para a detecção automática de falhas no Sistema de Evaporação da usina de Toro. Na outra, trabalhou-se com uma planta de laboratório termo-hidráulica reconfigurável, que emula as características comuns à maioria dos processos industriais contínuos. Nesta planta, da qual se dispõe de dados reais, foram provadas as melhorias na detecção de falhas mediante a integração das técnicas de Possíveis Conflitos e de observadores de estados, com uma “clara aplicação” nas fábricas de alimentos de Castela e Leão.