模糊Petri網(wǎng)在某型載車系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用

趙志宇 郭濤

海南三亞92155部隊(duì)155

模糊Petri網(wǎng)在某型載車系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用

趙志宇 郭濤

海南三亞92155部隊(duì)155

針對(duì)某型載車系統(tǒng)的故障診斷難題，本文提出了將模糊產(chǎn)生式規(guī)則和Petri網(wǎng)推理相結(jié)合的故障診斷方法。文中以載車系統(tǒng)底盤啟動(dòng)故障診斷為例，建立了模糊Petri網(wǎng)故障診斷模型，并詳細(xì)闡述了采用反向推理算法的故障診斷推理過程，快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了故障原因的定位。

模糊Petri網(wǎng) 載車系統(tǒng)底盤 啟動(dòng)故障 故障診斷

某型載車系統(tǒng)包含機(jī)械、電氣設(shè)備和液壓、氣動(dòng)裝置。由于系統(tǒng)中設(shè)備種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作時(shí)任何一個(gè)部位的故障都可能導(dǎo)致一系列后續(xù)故障的發(fā)生，表現(xiàn)為故障的并發(fā)性；另一方面，同一個(gè)故障也可能由多個(gè)原因造成，多個(gè)不同的原發(fā)性故障沿各自不同的傳播途徑可引發(fā)同一系統(tǒng)級(jí)故障，因此該系統(tǒng)的故障診斷過程存在不確定性和模糊性。本文以某型載車系統(tǒng)底盤啟動(dòng)故障診斷為例，對(duì)模糊Petri網(wǎng)在故障診斷中的應(yīng)用方法進(jìn)行了研究。

1 故障診斷模糊Petri網(wǎng)模型

Petri網(wǎng)理論是關(guān)于分布式系統(tǒng)和分布式進(jìn)程的理論，它具有較強(qiáng)的描述并發(fā)現(xiàn)象和故障傳播過程的能力，因而是對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析的重要工具。但是現(xiàn)實(shí)操作中，用戶對(duì)故障現(xiàn)象的描述經(jīng)常存在不確定性或模糊性，例如底盤啟動(dòng)“困難”，振動(dòng)“厲害”等，普通Petri網(wǎng)建模方法還不能滿足故障診斷的需求?；诖?，將模糊產(chǎn)生式規(guī)則與Petri網(wǎng)相結(jié)合，定義模糊Petri網(wǎng)模型，利用其可分層的特點(diǎn)，將相對(duì)復(fù)雜的故障逐層細(xì)分，縮小范圍，推理出故障原因及可信度。

1.1 故障診斷模糊產(chǎn)生式規(guī)則

故障之間存在著模糊關(guān)系和傳遞關(guān)系，這些關(guān)系可以采用模糊產(chǎn)生式規(guī)則來描述，模糊產(chǎn)生式規(guī)則最簡(jiǎn)單的形式為：

式中命題di表示一組前提或狀態(tài)，命題dk表示若干個(gè)動(dòng)作或結(jié)論，CF為這條規(guī)則的置信度，CF的值為μi，μi的取值范圍在0和1之間。這種形式的模糊產(chǎn)生式規(guī)則表示一個(gè)故障原因?qū)е铝艘粋€(gè)故障模式。模糊產(chǎn)生式規(guī)則的其它形式，如規(guī)則的“與”、“或”關(guān)系均可由此衍生得出，其表達(dá)式如下：

它表示故障多個(gè)故障d1，d2…dn同時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)致故障dk的出現(xiàn)；

它表示故障多個(gè)故障d1，d2…dn中任何一個(gè)或幾個(gè)的出現(xiàn)將導(dǎo)致故障dk的出現(xiàn)，此時(shí)的μi與di之間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

1.2 模糊Petri網(wǎng)定義

模糊Petri網(wǎng)由庫(kù)所P和變遷T組成，它將模糊產(chǎn)生式規(guī)則中的命題看作庫(kù)所，用圓圈“○”表示；將模糊產(chǎn)生式規(guī)則中的推理過程看作一種變遷，用豎線“|”表示；命題之間的因果關(guān)系用庫(kù)所和變遷之間的有向弧表示。為了更好地解釋模糊Petri網(wǎng)（Fuzzy Petri Nets），這里將其定義為一個(gè)九元組[7]：FPN（P，T，D，I，O， f，α，β，λ）；

根據(jù)上述定義，將1.1中的模糊產(chǎn)生式規(guī)則用模糊Petri網(wǎng)的形式表達(dá)出來，如圖1所示，從圖中可以看出，故障狀態(tài)的傳播過程被直觀地展現(xiàn)出來。

圖1 模糊產(chǎn)生式規(guī)則的模糊Petri網(wǎng)模型

2 模糊Petri網(wǎng)故障診斷推理算法

故障診斷與故障傳播之間是互逆關(guān)系，故障診斷是從觀察到的故障現(xiàn)象查找故障的原因，而故障現(xiàn)象正是由故障的傳播造成的。模糊Petri網(wǎng)描述的是故障的傳播模型，因此基于模糊Petri網(wǎng)的故障診斷是一個(gè)帶有置信度的反向推理過程，它從假設(shè)的目標(biāo)故障現(xiàn)象出發(fā)，反向查找導(dǎo)致目標(biāo)故障現(xiàn)象發(fā)生的所有路徑及初始故障原因。為了便于推理過程的進(jìn)行，一般需要定義以下5種庫(kù)所集合：

①初始庫(kù)所集合SP：由所有初始庫(kù)所組成的集合，一般用來表示故障的原因。

②目標(biāo)庫(kù)所集合GP：由所有目標(biāo)庫(kù)所組成的集合，一般用來表示系統(tǒng)的故障狀態(tài)。

③能達(dá)性庫(kù)所集合RS：從Pi經(jīng)過一系列的變換可以建立起聯(lián)系的庫(kù)所的集合。

④立即可達(dá)性庫(kù)所集合IRS：從Pi經(jīng)一次變換就能立即達(dá)到的庫(kù)所的集合。

⑤相鄰庫(kù)所集合AP：與Pi經(jīng)同一變換能立即達(dá)到的庫(kù)所的集合。

在故障診斷過程中首先要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信息重新計(jì)算知識(shí)庫(kù)里的規(guī)則置信度，并根據(jù)模糊Petri網(wǎng)建立各庫(kù)所的能達(dá)到性集合表，立即可達(dá)性庫(kù)所集合表和相鄰位置集合表。模糊Petri網(wǎng)故障診斷反向推理具體步驟如下：首先選定一個(gè)故障現(xiàn)象Pi并將其作為目標(biāo)庫(kù)所，然后在IRP表中查找能導(dǎo)出該故障現(xiàn)象的變遷，按照變遷置信度的大小依次選取這些變遷，若某個(gè)變遷ti的前提庫(kù)所Pj與現(xiàn)場(chǎng)的事實(shí)相匹配，則執(zhí)行該變遷；否則將該變遷的前提庫(kù)所作為子目標(biāo)，遞歸執(zhí)行上一步的過程，直到診斷出故障原因。（若沒有找到能導(dǎo)致該故障現(xiàn)象的規(guī)則，則推理失?。?。

3 載車系統(tǒng)故障診斷實(shí)例

在某型載車系統(tǒng)中，底盤的正常啟動(dòng)要求底盤中的燃油系統(tǒng)、啟動(dòng)電路以及機(jī)械傳動(dòng)與控制三個(gè)部分都必須工作正常，任何一個(gè)部分的故障都將導(dǎo)致啟動(dòng)失敗，因此底盤的啟動(dòng)故障具備并發(fā)性和傳播性的特點(diǎn)。本文根據(jù)該型FKWQ載車系統(tǒng)啟動(dòng)失敗的典型原因和特征，建立底盤啟動(dòng)故障的故障診斷模糊Petri網(wǎng)模型，并采用反向推理的方法對(duì)該故障進(jìn)行診斷，從而查找出故障原因。

表1 R02到R22各項(xiàng)具體的參數(shù)

3.1 載車系統(tǒng)底盤啟動(dòng)故障分析與模型建立

首先根據(jù)底盤中電路系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)各自內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和以往底盤啟動(dòng)故障診斷與維修經(jīng)驗(yàn)建立故障診斷的知識(shí)庫(kù)，該知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則采用本文1.1節(jié)中介紹的模糊產(chǎn)生式規(guī)則來描述。

R01：IF（油管接頭松動(dòng)，油路進(jìn)空氣 P1）THEN （燃油系統(tǒng)故障P20） CF=0.98

故障診斷知識(shí)庫(kù)中R02到R22的模糊產(chǎn)生式規(guī)則與R01相同，各項(xiàng)具體的參數(shù)見表1。

根據(jù)以上模糊產(chǎn)生式規(guī)則建立相應(yīng)的故障診斷模糊Petri網(wǎng)如圖2所示。

3.2 基于模糊Petri網(wǎng)的載車系統(tǒng)底盤啟動(dòng)故障診斷

由圖2可知，底盤啟動(dòng)故障診斷模糊Petri網(wǎng)模型中的起始庫(kù)所PS=｛P1，P2……P18，P19｝，目標(biāo)庫(kù)所PG=｛P23｝，能達(dá)性庫(kù)所集合、立即可達(dá)性庫(kù)所集合和相鄰庫(kù)所集合如表2所示。在故障診斷中，設(shè)置所有變遷的觸發(fā)閾值λ=0.75，

故障診斷的過程如下：

圖2 底盤啟動(dòng)故障診斷模糊Petri網(wǎng)模型

①首先根據(jù)Petri網(wǎng)模型中的庫(kù)所數(shù)量和變遷數(shù)量初始化兩個(gè)標(biāo)志數(shù)組FLAG_P[22]和FLAG_T[22]，數(shù)組中各元素的值可以為0或者1，用來標(biāo)記當(dāng)前庫(kù)所和變遷是否已經(jīng)被查詢過，從而避免推理過程中重復(fù)查詢。當(dāng)前數(shù)組中元素的值均為0，表示尚未被查詢。

②底盤啟動(dòng)故障P23在表2中的相鄰庫(kù)所為?，表明沒有其它故障同時(shí)發(fā)生。再查表2可知，P23的發(fā)生是由P20、P21或P22引起的，且P20對(duì)應(yīng)的變遷t20的置信度最大（CF=0.98），因此選擇路徑P20→P23，然后將標(biāo)志數(shù)組元素FLAG_P[20]和FLAG_T[20]置1；

③由于P20不是初始庫(kù)所，所以繼續(xù)反向查找能引發(fā)P20的路徑。從表2中查出能夠到達(dá)P20的路徑共有7條，其中庫(kù)所P1對(duì)應(yīng)的變遷t1的置信度最大（CF=0.98），因此選擇路徑P1→P20繼續(xù)反推，并將標(biāo)志數(shù)組元素FLAG_P[1]和FLAG_ T[1]置1。由于P1是初始庫(kù)所，因此向用戶詢問“油管接頭松動(dòng)，油路進(jìn)空氣？”。用戶檢查所有油管接頭后，發(fā)現(xiàn)確實(shí)有接頭松動(dòng)，則向系統(tǒng)回答“是”。系統(tǒng)根據(jù)統(tǒng)計(jì)信息計(jì)算出庫(kù)所P1的置信度α(P1)=0.95，由于α(P1)大于預(yù)先設(shè)定的閾值λ=0.75，所以變遷t1可以被觸發(fā)。相應(yīng)的，庫(kù)所P20的置信度也可計(jì)算出來：α(P20)= α(P1)×0.98=0.9604，也大于閾值λ。由此可以判斷“底盤啟動(dòng)故障”的原因是“油管接頭松動(dòng)，油路進(jìn)空氣”。至此，推理結(jié)束，故障診斷成功。

表2 能達(dá)性集合、立即可達(dá)性集合、相鄰庫(kù)所集合

④如果向用戶詢問“油管接頭松動(dòng)，油路進(jìn)空氣？”。用戶檢查所有油管接頭后，發(fā)現(xiàn)接頭沒有松動(dòng)，向系統(tǒng)回答“未發(fā)現(xiàn)”。系統(tǒng)計(jì)算出庫(kù)所P1的置信度α(P1)=0.3，由于α(P1)小于預(yù)先設(shè)定的閾值λ，所以變遷t1不能被觸發(fā)。但是引發(fā)P20的路徑還有6條，接下來系統(tǒng)將按照這6條路徑所對(duì)應(yīng)的變遷的置信度大小次序，重復(fù)進(jìn)行前面的查詢過程，這里不再贅述。

⑤若遍歷完能引發(fā)P20的7條路徑，仍未找到故障原因，則按照步驟3、4中的方法，查詢所有能夠到達(dá)P21或P22的路徑，直到找出故障原因?yàn)橹埂Ｈ绻闅v完全部路徑后還未找到故障原因，則說明故障原因不在知識(shí)庫(kù)中，需要另外查找故障原因。

4 結(jié)論

在對(duì)某型載車系統(tǒng)底盤啟動(dòng)故障進(jìn)行診斷時(shí)，采用模糊Petri網(wǎng)建立的模型使系統(tǒng)知識(shí)邏輯關(guān)系清晰，推理過程簡(jiǎn)單，且具有圖形直觀性。通過診斷實(shí)例，充分體現(xiàn)了模糊Petri網(wǎng)描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、并行特性的能力，而且推理過程便于在計(jì)算機(jī)上通過編程實(shí)現(xiàn)。由此證明基于模糊Petri網(wǎng)的故障診斷是一種行之有效的方法。

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趙志宇（1978-）男，湖南長(zhǎng)沙人，工學(xué)學(xué)士，工程師，海南三亞92155部隊(duì)，研究方向機(jī)械自動(dòng)化控制。郭濤（1980-）男，湖北棗陽(yáng)人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，海南三亞92155部隊(duì)，研究方向柴油機(jī)電源。