融合粗糙集和證據(jù)理論的車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備故障診斷

涂繼亮，潘洪亮，董德存，羅艷芬

（同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海201804）

車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備的故障診斷及維修是目前保障列車(chē)可靠運(yùn)行及安全的一個(gè)重要制約因素.對(duì)于智能故障診斷技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，得出了許多有價(jià)值的成果.然而，智能診斷技術(shù)目前主要應(yīng)用于電力設(shè)備、大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械和車(chē)輛檢修等方面［1-2］，鑒于車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各子系統(tǒng)之間勢(shì)必存在某種程度的耦合，故障的傳播大多是個(gè)連續(xù)發(fā)生的過(guò)程，對(duì)其進(jìn)行故障分析難度較大，這方面的研究文獻(xiàn)很少.同濟(jì)大學(xué)劉循等［3］采用模糊邏輯系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)無(wú)線通信設(shè)備的單一故障及全局故障診斷的方法進(jìn)行了研究，當(dāng)獲取的系統(tǒng)故障特征信息是準(zhǔn)確完整的，該方法能取得較滿意的診斷結(jié)果.通過(guò)對(duì)車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備的實(shí)際故障診斷研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際的智能診斷系統(tǒng)中，由于各種原因?qū)е碌脑O(shè)備故障信息不完整，不準(zhǔn)確，因而采用任意一種單一的故障診斷方法均不能很好地解決存在干擾、噪聲等不確定因素條件下的故障識(shí)別問(wèn)題，很難得到理想的診斷效果.

從本質(zhì)上說(shuō)，粗糙集理論和證據(jù)理論都是處理不確定信息的數(shù)學(xué)工具，均關(guān)注于對(duì)象的分類(lèi)能力，兩者之間存在很強(qiáng)的互補(bǔ)關(guān)系.本文將證據(jù)理論與粗糙集理論有機(jī)地結(jié)合起來(lái)并應(yīng)用于車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備的故障診斷中，首先利用粗糙集理論對(duì)診斷特征進(jìn)行約簡(jiǎn)，將故障診斷問(wèn)題用一個(gè)具有不同簡(jiǎn)化層次的決策網(wǎng)絡(luò)表示，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)不同層次上的各節(jié)點(diǎn)，便可得到長(zhǎng)度齊整，數(shù)量精簡(jiǎn)的診斷決策規(guī)則集［4］，最后引入證據(jù)理論解決故障識(shí)別問(wèn)題，提高故障診斷準(zhǔn)確率，并最終實(shí)現(xiàn)在線應(yīng)用.

1 無(wú)線通信設(shè)備故障診斷決策表

本文在查閱相關(guān)文獻(xiàn)及課題組多年實(shí)際工程項(xiàng)目累積的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，收集整理了具有代表性的車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備故障實(shí)例若干.借鑒文獻(xiàn)［5］中對(duì)智能故障診斷決策系統(tǒng)的定義，從無(wú)線通信裝備故障原始數(shù)據(jù)出發(fā)，確定故障征兆屬性（即條件屬性）集合和故障決策屬性集合，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理（連續(xù)數(shù)值型離散化、語(yǔ)義型征兆屬性泛化）后，即可得到數(shù)字化后的無(wú)線通信設(shè)備智能故障診斷決策見(jiàn)表1.表1中：U=｛x1，x2，…，x8｝為無(wú)線通信設(shè)備故障的8個(gè)狀態(tài)，每個(gè)故障狀態(tài)包含的樣本數(shù)用k表示；C=｛c1，c2，…，c10｝表示表述無(wú)線通信設(shè)備故障特征的征兆屬性集合，其中c1代表傳輸鏈路數(shù)據(jù)吞吐量，c2代表傳輸鏈路丟包率，c3代表傳輸鏈路誤碼率，c4代表電磁波場(chǎng)強(qiáng)，c5代表路旁基站發(fā)送端數(shù)據(jù)吞吐量，c6代表基站光電轉(zhuǎn)換端口數(shù)據(jù)吞吐量，c7代表路旁基站接收端數(shù)據(jù)吞吐量，c8代表車(chē)載發(fā)送端數(shù)據(jù)吞吐量，c9代表車(chē)載光電轉(zhuǎn)換端口信號(hào)強(qiáng)度，c10代表車(chē)載接收端數(shù)據(jù)吞吐量.各屬性取值如下.屬性c1：0-數(shù)據(jù)吞吐量為0；1-下降；2-正常.屬性c2：0-丟包率100%；1-上升；2-正常.屬性c3：0-誤碼率100%；1-上升；2-正常.屬性c4：0-上升；1-正常.屬性c5：0-數(shù)據(jù)吞吐量為0；1-數(shù)據(jù)吞吐量下降；

表1 故障診斷決策表Tab.1 Fault diagnosis decision table

2-正常.屬性c6：0-下降；1-正常.屬性c7：0-吞吐量為0；1-下降；2-正常.屬性c8：0-下降；1-正常.屬性c9：0-下降；1-正常.屬性c10：0-吞吐量0；1-下降；2-正常.決策屬性d表示故障診斷結(jié)果，即1-傳輸鏈路中斷；2-傳輸鏈路電磁場(chǎng)干擾；3-路旁基站發(fā)送端故障；4-路旁基站光電轉(zhuǎn)換器故障；5-路旁基站接收端故障；6-車(chē)載發(fā)送端故障；7-車(chē)載光電轉(zhuǎn)換器故障；8-車(chē)載接收端故障.

2 無(wú)線通信設(shè)備故障診斷決策網(wǎng)絡(luò)

2.1 決策網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造

本文利用粗糙集理論中由Skowron提出的分辨矩陣的概念［6］，來(lái)求取車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備故障征兆屬性的約簡(jiǎn)，以此構(gòu)造適合車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備智能故障診斷的決策網(wǎng)絡(luò)的初始節(jié)點(diǎn).故障診斷決策網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖1.

根據(jù)分辨矩陣的概念，可以得到故障診斷決策表的分辨函數(shù)，將分辨函數(shù)化為吸取表達(dá)式，則每個(gè)子式所包含的屬性即構(gòu)成一個(gè)屬性約簡(jiǎn).便可以得到故障決策表1的唯一分辨函數(shù)為

由分辨函數(shù)的吸取表達(dá)式可方便求出決策表1的屬性約簡(jiǎn)集為｛c2，c6，c10｝、｛c1，c6，c7｝、｛c2，c6，c7｝、｛c1，c6，c10｝、｛c2，c5，c6｝、｛c1，c5，c6｝共6個(gè)屬性約簡(jiǎn).從得到的約簡(jiǎn)子集出發(fā)，以此作為決策網(wǎng)絡(luò)的初始節(jié)點(diǎn)，并且將包含征兆屬性數(shù)目相同的節(jié)點(diǎn)放置于決策網(wǎng)絡(luò)同一層；然后，依次從每個(gè)節(jié)點(diǎn)中去掉一個(gè)征兆屬性，得到該節(jié)點(diǎn)的后繼結(jié)點(diǎn)，直至空節(jié)點(diǎn).構(gòu)造出的車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備故障診斷決策網(wǎng)絡(luò)如圖1所示.

2.2 故障診斷決策規(guī)則的評(píng)價(jià)及提取

從上述構(gòu)造的故障診斷決策網(wǎng)絡(luò)中，可以提取一組決策規(guī)則，但為了確保決策網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的泛化能力和較高的推理效率，需要對(duì)各節(jié)點(diǎn)上所提取的規(guī)則進(jìn)行評(píng)價(jià)篩選.本文利用文獻(xiàn)［7］中定義的置信度和覆蓋度作為決策規(guī)則的評(píng)價(jià)指標(biāo).

本文取節(jié)點(diǎn)（c1，c6）及節(jié)點(diǎn)c6為例進(jìn)行計(jì)算.當(dāng)時(shí)，，其中，，其中，

取規(guī)則｛c1=2，c6=1→d=5｝，其置信度和覆蓋度分別計(jì)算如下：

依次類(lèi)推，可以得到表2.

圖1 故障診斷決策網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Fault diagnosis decision network

表2 節(jié)點(diǎn)（c1，c6）、c1 上的置信度及覆蓋度計(jì)算表Tab.2 Confidence and coverage degree of the node（c1，c6）and c1

3 基于證據(jù)理論的故障節(jié)點(diǎn)融合識(shí)別

軌道交通列車(chē)控制系統(tǒng)中，從車(chē)輛運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)傳回控制中心的傳感數(shù)據(jù)較多.在本車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)中，便有10路傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)于車(chē)地?zé)o線通信裝備的故障診斷具有不同的重要性和可信度，如何將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并從上節(jié)所獲得的故障診斷決策規(guī)則知識(shí)庫(kù)中的診斷規(guī)則進(jìn)行有效匹配，是關(guān)系診斷正確性的關(guān)鍵.從2.2節(jié)中獲取的（c1，c6）故障節(jié)點(diǎn)的診斷規(guī)則庫(kù)中就可以看出，若c1=1，c6=1，便有三條診斷結(jié)果匹配，系統(tǒng)無(wú)法完成準(zhǔn)確診斷，針對(duì)此問(wèn)題，較傳統(tǒng)的做法一般是匹配置信度最大值的規(guī)則，或采用文獻(xiàn)［8］提出的綜合評(píng)價(jià)方法.但這些方法都忽略了其他故障節(jié)點(diǎn)隱藏的故障診斷信息，因而診斷往往不夠準(zhǔn)確.本文引入證據(jù)理論的相關(guān)方法來(lái)解決這一問(wèn)題.

本文應(yīng)用證據(jù)理論解決故障識(shí)別問(wèn)題的基本思路是：將故障診斷知識(shí)庫(kù)中所有可能的故障作為假設(shè)，故障的各種癥狀作為證據(jù)，分別計(jì)算各個(gè)證據(jù)的基本概率分配函數(shù)、可信度和似然度，再根據(jù)證據(jù)合成規(guī)則計(jì)算所有證據(jù)聯(lián)合作用下的基本概率分配函數(shù)、可信度、似然度，最后按照一定的判別規(guī)則選擇可信度最大的假設(shè)作為融合結(jié)果，即實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別.

由2.2節(jié)同理可計(jì)算出診斷網(wǎng)絡(luò)層其他故障節(jié)點(diǎn)相應(yīng)診斷規(guī)則的置信度和覆蓋度，為簡(jiǎn)化計(jì)算量及更清楚說(shuō)明算法融合過(guò)程，本文暫取診斷網(wǎng)絡(luò)中（c1，c6）、（c1，c5）這兩個(gè)故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行證據(jù)理論的融合.當(dāng)融合更多故障節(jié)點(diǎn)證據(jù)后，診斷不確定性將進(jìn)一步減小.

由故障節(jié)點(diǎn)（c1，c6）可得如下診斷規(guī)則（括號(hào)中數(shù)字表示診斷規(guī)則置信度）：

若傳輸鏈路數(shù)據(jù)吞吐量下降，且基站光電轉(zhuǎn)換端口數(shù)據(jù)吞吐量下降，則路旁基站光電轉(zhuǎn)換器故障（0.6）或車(chē)載發(fā)送端故障（0.4）.

同理，由故障節(jié)點(diǎn)（c1，c5）可得如下診斷規(guī)則（括號(hào)中數(shù)字表示診斷規(guī)則置信度）：

如果傳輸鏈路數(shù)據(jù)吞吐量下降，且路旁基站發(fā)送端數(shù)據(jù)吞吐量為零.則路旁基站光電轉(zhuǎn)換器故障（0.54）或路旁基站發(fā)送端故障（0.46）.

又由車(chē)地?zé)o線通信數(shù)據(jù)量吞吐測(cè)試儀檢測(cè)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，歸納得出故障表征如下：

（1）傳輸鏈路數(shù)據(jù)吞吐量下降，且基站光電轉(zhuǎn)換端口數(shù)據(jù)吞吐量下降（0.9）；

（2）傳輸鏈路數(shù)據(jù)吞吐量下降，且路旁基站發(fā)送端數(shù)據(jù)吞吐量為零（0.3）.

表3 列尾信息傳送數(shù)據(jù)吞吐量參數(shù)b／sTab.3 Data throughput attributes b／s of the trail information

現(xiàn)在要對(duì)車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)進(jìn)行故障識(shí)別，判斷產(chǎn)生異常的原因.首先取識(shí)別框架Θ=｛h1，h2，h3｝，其中，h1為路旁基站光電轉(zhuǎn)換器故障；h2為車(chē)載發(fā)送端故障；h3為路旁基站發(fā)送端故障；選取如下基本概率分配函數(shù)［9］：m1（｛h1｝）=規(guī)則前提可信度×規(guī)則結(jié)論可信度=0.9×0.6=0.54；

則

由式（1）～（4）可分別計(jì)算得各假設(shè)的信任函數(shù)值、似真度函數(shù)值及信任度區(qū)間見(jiàn)表4.

表4 故障診斷信任度區(qū)間Tab.4 Credit range of fault diagnosis

從表4可知，路旁光電轉(zhuǎn)換器故障為真的信任度為0.588，非假的信任度為0.676.均高于其他兩項(xiàng)故障

假設(shè)，因此可以判斷出路旁光電轉(zhuǎn)換器故障是導(dǎo)致通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量下降的故障原因，診斷與實(shí)際情況相符，診斷正確.

4 結(jié)論

本文提出的融合粗集與證據(jù)理論的車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備故障診斷方法能夠融合存儲(chǔ)于決策網(wǎng)絡(luò)中不同層次上各節(jié)點(diǎn)中的診斷決策規(guī)則集信息，從而對(duì)待診對(duì)象的狀態(tài)給出較滿意的診斷結(jié)論，具有較好的容錯(cuò)能力，為不確定環(huán)境下設(shè)備的故障診斷提供了新的思路，該方法可以推廣應(yīng)用到其他設(shè)備的故障診斷中去.但在進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)尚有部分問(wèn)題有待進(jìn)一步解決，例如，在實(shí)際的車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備故障診斷應(yīng)用中，由于新的故障實(shí)例的出現(xiàn)及新的故障征兆的獲取，如何設(shè)計(jì)一種廣義規(guī)則集的增量式自動(dòng)在線更新模式、故障診斷原型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)以及故障導(dǎo)向安全推理機(jī)制的研究.這些研究?jī)?nèi)容對(duì)建立科學(xué)的交通運(yùn)營(yíng)及主動(dòng)安全保障都具有重要理論意義和實(shí)踐價(jià)值，目前這一研究正在進(jìn)行中.

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