專利名稱：一種功能故障有向圖進行故障診斷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航空器等故障診斷分析技術(shù)領(lǐng)域，為該領(lǐng)域有些故障無法預(yù)知、領(lǐng)域?qū)＜耀@取知識困難時的復(fù)雜性系統(tǒng)提供了一套故障分析、建模和診斷的方法。
背景技術(shù)：
航空器有些系統(tǒng)(如飛機氣路的氣源系統(tǒng)、防冰系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng))故障具有多發(fā)性、重復(fù)性、復(fù)雜性，需要方便、快速、有效的故障診斷方法。目前，基于手冊和基于案例只能診斷可預(yù)知的或建立了詳細特征分析的故障模式。但在航空器運行早期，對新出現(xiàn)的故障缺乏案例，并且由于航空器系統(tǒng)的復(fù)雜性，有些故障無法預(yù)知，領(lǐng)域?qū)＜耀@取知識困難時，基于手冊和基于案例法難以快速有效診斷。基于定性數(shù)學(xué)模型的故障識別和診斷方法中，圖論方法是最有實用價值的一種，·其中符號定向圖(SDG, Signed Directed Graph)方法前景十分看好。近10年來，美國普渡大學(xué)以Venkatasubramanian等人對SDG方法的完善和工業(yè)化應(yīng)用做出了顯著成績。他們開發(fā)的實時故障診斷系統(tǒng)Dkit，是在實時專家系統(tǒng)G2環(huán)境中運行的，并采用了多種故障診斷方法。應(yīng)用SDG進行故障診斷的研究取得了一定成果，但應(yīng)用SDG建模和定量化需要進一步研究，定量化是提高故障分辨率的必由之路，也是與傳統(tǒng)的診斷方法的結(jié)合點，可以彌補定性方法的不足，推理方法是SDG方法投入實際應(yīng)用的核心問題，提高推理算法的效率需要探討新的改進方法。另外，傳統(tǒng)SDG模型只體現(xiàn)過程變量間的因果關(guān)系，缺少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成描述，不能清楚地反映部件間的連接關(guān)系及故障傳播層次，在大規(guī)模系統(tǒng)診斷推理中難以系統(tǒng)故障定位、確定故障診斷范圍。針對航空器系統(tǒng)故障的特點，本發(fā)明以航空器系統(tǒng)故障診斷為研究目標(biāo)，提出了一種功能故障有向圖(FF-SDG)對航空器系統(tǒng)分析、建模和診斷推理的故障診斷方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就在于克服上述航空器有些系統(tǒng)(如飛機氣路的氣源系統(tǒng)、防冰系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng))故障診斷方法的缺點與不足，提供一種新的FF-SDG分析、建模和診斷方法，實現(xiàn)對此類系統(tǒng)新出現(xiàn)的故障進行有效診斷，以彌補基于手冊和基于案例的故障診斷技術(shù)的不足。FF-SDG模型表達及其診斷采取分而治之的策略，將被診斷對象分成若干組成單元，建立結(jié)構(gòu)模型，并在結(jié)構(gòu)模型上加入系統(tǒng)(單元)功能的性能特征及依賴關(guān)系(依賴關(guān)系包括故障與故障的因果傳播依賴關(guān)系，故障與測試的依賴關(guān)系)，這可反映部件間的連接關(guān)系及故障傳播層次，改進了傳統(tǒng)SDG模型的不足。該方法能夠減少故障檢測和隔離時間，快速有效找到系統(tǒng)故障源并發(fā)現(xiàn)故障原因，提高維修性。本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟如下第一步系統(tǒng)分解與結(jié)構(gòu)模型；①將系統(tǒng)進行層次和組件劃分；
②確定組件關(guān)系建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型；③形成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)表。第二步建立功能模型；①確定組件的功能；②確定組件正確實現(xiàn)這些功能所對應(yīng)的輸入輸出狀態(tài)(能量流、材料流和數(shù)據(jù)流)；③定義狀態(tài)變量及其各組件狀態(tài)變量間的關(guān)系；④形成功能及變量關(guān)系表。第三步確定組件故障模式； ①確定組件的功能故障模式，主要依據(jù)FMEA報告；②分為端點故障模式和底層故障模式兩類；③端點故障往往是功能失效現(xiàn)象，底層故障往往是更下一層的故障；④組件的絕大多數(shù)功能故障模式是底層故障。第四步分析故障傳播路徑及影響關(guān)系；①每一個功能故障模式產(chǎn)生一個特定的影響或影響集，它沿著相關(guān)的路徑傳播到狀態(tài)相關(guān)的組件，也可以是組件內(nèi)下層故障模式的影響結(jié)果；②故障影響關(guān)系是狀態(tài)關(guān)系的子集，有定性的正影響和負影響，也可通過網(wǎng)絡(luò)權(quán)重、狀態(tài)方程、貝葉斯估計、物理模型等方法建立定量的影響關(guān)系；③模型是結(jié)構(gòu)化的模型，具有基礎(chǔ)性、兼容性和擴展性，F(xiàn)MEA的路徑在此被規(guī)范化和參數(shù)化，F(xiàn)TA是它的子集，用于排故的診斷(二叉)樹由此導(dǎo)出。第五步傳感器測點與測試信息；①描述所有傳感器的位置，在模型中也用節(jié)點來表示；②確定傳感器的測試信息和可測故障模式、監(jiān)測參數(shù)及關(guān)聯(lián)的狀態(tài)變量；③一個測試點可以監(jiān)測多個參數(shù)；④本步是測試性分析設(shè)計起點，可確定系統(tǒng)和SDG模型的故障檢測與隔離能力。第六步故障生長與消除時間。①監(jiān)測參數(shù)變化預(yù)示潛在故障，潛在故障發(fā)生到可觀察的功能故障之間的時間，是組件故障發(fā)展時間；②組件之間的故障傳播時間是系統(tǒng)故障發(fā)展時間；③確定故障源所需要的時間是故障檢測與隔離時間；④更換系統(tǒng)中的故障組件使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)是故障修復(fù)時間；⑤本步是系統(tǒng)故障預(yù)測與健康管理的起點，也決定故障修復(fù)時間和維修級別安排。通過以上6個步驟，構(gòu)建完成了一個層次FF-SDG模型。FF-SDG表示為G = (Γ，/,,/.，/>. Ψ) , G為有向圖，由6部分組成a.組件集合C= {Cl，c2，... cn}，其中η表示模塊個數(shù)，C表示有限模塊集，模塊是指組成系統(tǒng)的實體對象，是一個具有輸入和輸出接口的獨立體。b.節(jié)點集合V=Vs U Vf= Iv1, V2，…vm}。其中Vs表示系統(tǒng)狀態(tài)變量節(jié)點集合，Vf表示故障節(jié)點集合，m表示節(jié)點個數(shù)。每個節(jié)點對象具有3種約束Vb，Vp, V。。Vb (Vi)為節(jié)點類型，規(guī)定了節(jié)點Vi對象的類型(i=l，2，-,m) ；VP (Vi)描述Vi的狀態(tài)發(fā)生偏差的先驗概率；V。(Vi)是節(jié)點隸屬函數(shù)即模塊和狀態(tài)節(jié)點關(guān)系。隸屬“關(guān)系對” 1+:C — V(模塊的輸入節(jié)點)1_: C — V (模塊的輸出節(jié)點)該“關(guān)系對”分別表示每一個模塊的輸入節(jié)點和輸出節(jié)點c. 1'表示可用測試集了=(1'1)，1',，1\，1 ，1'1)。測試集中每個測點有五個附加屬性(TD, Tn, Tt, Tm，T1)，測試點的物理位置TD、測試的名稱TN、測試的類型Ττ、測試的操作手段ΤΜ、測試的輔助信息T1 (包括視頻、音頻、圖片信息)。d.有向邊集合E=(VsXVs) U (VsXVf),其中VsXVs表示狀態(tài)變量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系、VsXVf表不狀態(tài)變量與故障間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。 影響“關(guān)系對” r' :Δ'^Γ (支路的起始節(jié)點)d- ' E — V {支路的終止節(jié)點)該“關(guān)系對”分別表示每一個支路的起始節(jié)點和終止節(jié)點；e.函數(shù)}#(4)(4￡幻稱為ek支路的符號。用“ + ”表示正作用(增強)和表示反作用(減弱)。f.符號有向圖G的樣本是指所有節(jié)點當(dāng)前符號的集合，節(jié)點符號是一個函數(shù)Ψ v- {+，0，_，？)，Ψ (vk) (vk e V)稱為節(jié)點 Vk 的符號。即
O \Χ-1\<ε + Jr-Τ>ε 若&€'
Ψ⑷= -
-Χ-Χ>ε
X未測量式中Χ為節(jié)點Vk對應(yīng)變量的測試值為節(jié)點Vk對應(yīng)變量的期望值；ε為節(jié)點Vk處于正常狀態(tài)的閾值。第七步基于FF-SDG模型的系統(tǒng)故障診斷I診斷推理策略基于FF-SDG模型的故障診斷運用的是圖搜索的推理方法。建立FF-SDG模型后，從報警節(jié)點向可能的所有原因節(jié)點反向搜索可能的且獨立的相容通路，結(jié)合當(dāng)前監(jiān)測的狀態(tài)值，可以找到故障源。但在實際工作過程中，許多狀態(tài)不能測量或不能在線測量，易出現(xiàn)未測節(jié)點的情況，使得原相容性故障傳播通道失效，本發(fā)明結(jié)合有向圖(DG)的可達性理論，提出含未測節(jié)點的FF-SDG模型故障診斷方法。具體推理步驟(I)形成已測節(jié)點和報警節(jié)點集合，確定診斷圖層假設(shè)VO是模型所含所有節(jié)點集合，用T= Iv I Φ (V) e {+，0，-)，v e V0)表示已測節(jié)點集合。報警節(jié)點包括診斷輸入的故障模式節(jié)點和狀態(tài)變量節(jié)點。用Tk= {ν| Φ (V) e {+，-)，V e V0)表示報警節(jié)點集合。當(dāng)故障影響只在一個子系統(tǒng)節(jié)點中顯現(xiàn)，直接從該子系統(tǒng)SDG圖層展開推理。若涉及多個系統(tǒng)節(jié)點，從包含這幾個系統(tǒng)的子圖最高SDG圖層開始推理。(2)構(gòu)造報警節(jié)點的最大強連通單元對于所有節(jié)點Vi e Τκ，沿箭頭方向回溯其相容支路，構(gòu)造報警節(jié)點的最大強連通單元。當(dāng)包括有不可測的節(jié)點時，從可測節(jié)點出發(fā)穿過非測量節(jié)點分支符號的乘積判斷是否相容。(3)搜索潛在故障源對最大相容子圖分別計算故障候選集合Tf= H VeTR RS(V)- U VtT-xR RS(v)(I)式中RS(v)是V的可達集，式(I)表明每一個最大相容子圖的故障候選集Tf為報警節(jié)點的可達集交集減去測試值正常節(jié)點的所有可達集。根據(jù)結(jié)果Tf即可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障源及傳播路徑。本發(fā)明的優(yōu)點是FF-SDG模型故障診斷方法具有如下特點
a)繼承了傳統(tǒng)SDG固有的良好的完備性；b)采用有向圖分層策略，提高了診斷的效率；c)利用測試節(jié)點間的定性關(guān)系，回溯搜索不相容支路找出故障源候選集合，在后續(xù)工作中通過部件故障概率和故障傳播的權(quán)重對候選故障源進行故障可能性的排序，可以提聞診斷的準(zhǔn)確性；d)診斷推理方法適用于存在節(jié)點未測量的情況。


圖I是功能故障有向圖(FF-SDG)方法建模的組建劃分圖。圖2是功能故障有向圖(FF-SDG)方法建模的系統(tǒng)功能模型圖。圖3是功能故障有向圖(FF-SDG)方法建模的組件故障模式。圖4是功能故障有向圖(FF-SDG)方法建模的故障傳播路徑及影響關(guān)系圖。圖5是功能故障有向圖(FF-SDG)方法建模的傳感器測點與測試信息圖。圖6是氣源系統(tǒng)系統(tǒng)級FF-SDG模型圖。圖7是氣源系統(tǒng)子系統(tǒng)級FF-SDG模型圖。圖8是APU引氣系統(tǒng)的FF-SDG模型圖。圖9是FF-SDG方法的層次診斷推理圖。圖中符號說明——組件；O——狀態(tài)變量；籲——底層故障；@一-端點故障；~~正作用(增強)~反作用(減弱)rO~測點。
具體實施例方式FF-SDG的建模問題是其應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。收集關(guān)于系統(tǒng)的系統(tǒng)原理手冊、維修手冊、排故手冊、機組操作手冊、故障模式、影響、危害性和測試性分析(FailureMode, Effects、Criticality and Testability Analysis，F(xiàn)MECA)、故障樹分析(FailureTree Analysis FTA)報告、元器件可靠性數(shù)據(jù)指標(biāo)等技術(shù)資料，對系統(tǒng)進行組件分解，獲取每個組件功能、故障信息，并最終形成FF-SDG模型，利用該模型推理方法診斷系統(tǒng)故障，有下面七個步驟第一步系統(tǒng)分解與結(jié)構(gòu)模型如圖1，復(fù)雜系統(tǒng)故障傳播的因果性、層次性與其結(jié)構(gòu)層次性相關(guān)。分析技術(shù)資料，將復(fù)雜系統(tǒng)逐層分解為一系列的子系統(tǒng)，而子系統(tǒng)可進一步分解成對應(yīng)的零部件，分解的層次由建模的粒度決定。根據(jù)分析的系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，確定出系統(tǒng)、子系統(tǒng)、零部件之間的包含關(guān)系，F(xiàn)F-SDG模型中系統(tǒng)模型包含了子系統(tǒng)模型，子系統(tǒng)模型包含了零部件模型，根據(jù)隸屬層次來建立結(jié)構(gòu)模型。在建立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型中需要通過設(shè)計的數(shù)據(jù)表輸入對于模型組建的屬性定義，包括組件名稱，ID，父組件名稱等。第二步建立功能模型如圖2，組件劃分后，在結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，針對每個模塊加入模塊的輸入輸出狀態(tài)變量壓力P、指令C、活門開度V。根據(jù)子任務(wù)剖面所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時序選擇體現(xiàn)功能特征變化的組件輸入輸出變量，具體地說包括從材料類變量、能量類變量和信息類變量。對每一變量需要確定正常值閾值范圍。閾值是FF-SDG模型瞬時樣本中獲得節(jié)點狀態(tài)的界限值。閾值的上下限應(yīng)當(dāng)依據(jù)故障發(fā)生和傳播的規(guī)律經(jīng)反復(fù)試驗調(diào)整后確定?？紤]到實際運行工作條件多變，動態(tài)特性復(fù)雜，正常值閾值范圍可能是狀態(tài)函數(shù)。這里節(jié)點定義為V= {Φ (V) e {+，0，-}}，+表示高于閥值上限，O表示正常，-表示低于閥值下限。分析變量之間的物理作用或因果關(guān)系。變量之間的物理作用或因果關(guān)系歸納為三種(I)定量關(guān)系。用數(shù)學(xué)表達式描述變量之間的轉(zhuǎn)換過程；(2)定性因果關(guān)系。系統(tǒng)變量間的增量或減量的定性關(guān)系；(3)半定性關(guān)系定性方法和定量方法相結(jié)合，如在分析變量間的增量或減量定性關(guān)系中，加入被影響因素和影響因素變化的傳遞時間、增益、趨勢、過程、概率等定量的信
肩、O這里選擇定性因果關(guān)系，以發(fā)動機引氣子系統(tǒng)的3個組件為例，其功能及狀態(tài)變量關(guān)系如表I。建立發(fā)動機引氣子系統(tǒng)功能模型。表I發(fā)動機引氣子系統(tǒng)狀態(tài)變量關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種功能故障有向圖進行故障診斷的方法，其特征在于包括系統(tǒng)的FF-SDG建模、基于FF-SDG模型的系統(tǒng)故障診斷，具體包括以下步驟； 第一步、系統(tǒng)分解與結(jié)構(gòu)模型將系統(tǒng)進行層次和組件劃分，確定組件關(guān)系建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，形成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)表； 第二步、建立功能模型確定組件的功能和正確實現(xiàn)這些功能所對應(yīng)的輸入輸出狀態(tài)，定義狀態(tài)變量及其各組件狀態(tài)變量間的關(guān)系然后形成功能及變量關(guān)系表； 第三步、確定組件故障模式主要依據(jù)FMEA報告確定組件的功能故障模式，分為端點故障模式和底層故障模式兩類； 第四步、分析故障傳播路徑及故障影響關(guān)系； 第五步、傳感器測點與測試信息描述所有傳感器的位置，在模型中用節(jié)點來表示，確定傳感器的測試信息和可測故障模式、監(jiān)測參數(shù)及關(guān)聯(lián)的狀態(tài)變量； 第六步、故障生長與消除時間監(jiān)測參數(shù)變化預(yù)示潛在故障，潛在故障發(fā)生到可觀察的功能故障之間的時間，是組件故障發(fā)展時間，組件之間的故障傳播時間是系統(tǒng)故障發(fā)展時間，確定故障源所需要的時間是故障檢測與隔離時間，更換系統(tǒng)中的故障組件使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)是故障修復(fù)時間； 第七步、基于FF-SDG模型的系統(tǒng)故障診斷方法運用圖搜索的推理方法，形成已測節(jié)點和報警節(jié)點集合，確定診斷圖層，構(gòu)造報警節(jié)點的最大強連通單元，搜索潛在的故障源。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功能故障有向圖進行故障診斷的方法，其特征在于功能故障FF-SDG模型表示為G =式<ρ,Ψ)，其中G為有向圖，由6部分組成 a.組件集合C=Ic1,C2, . . . cn},其中η表示模塊個數(shù),C表示有限模塊集,模塊是指組成系統(tǒng)的實體對象，是一個具有輸入和輸出接口的獨立體； b.節(jié)點集合V=VsU Vf= {Vl, V2,…vj，其中Vs表示系統(tǒng)狀態(tài)變量節(jié)點集合，Vf表示故障節(jié)點集合，m表示節(jié)點數(shù)，每個節(jié)點對象具有3種約束Vb，Vp, Vc, Vb Cvi)為節(jié)點類型，規(guī)定了節(jié)點Vi對象的類型\ Cvi)描述Vi的狀態(tài)發(fā)生偏差的先驗概率；V。Cvi)是節(jié)點隸屬函數(shù)即模塊和狀態(tài)節(jié)點關(guān)系，其中，i = 1，2^··，πι; 隸屬“關(guān)系對” I+: C — V，模塊的輸入節(jié)點 I :C —V，模塊的輸出節(jié)點 該“關(guān)系對”分別表示每一個模塊的輸入節(jié)點和輸出節(jié)點； c.T表示可用測試集T=(TD，TN, Tt, Tm, T1)，測試集中測點有五個附加屬性(TD, Tn, Tt, Tm，T1),測試點的物理位置TD、測試點的名稱Tn、測試的類型Tt、測試的操作手段TM、測試的輔助信息T1 ； d.有向邊集合E=(VsXVs) U (VsXVf),其中VsXVs表示狀態(tài)變量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系、VsXVf表不狀態(tài)變量與故障間的關(guān)聯(lián)關(guān)系， 影響“關(guān)系對”3+，支路的起始節(jié)點 d— .. E — V，支路的終止節(jié)點 該“關(guān)系對”分別表示每一個支路的起始節(jié)點和終止節(jié)點； e.函數(shù)φ:方4{+，-}，稱為％支路的符號；用“+ ”表示正作用和表示反作用；f.符號有向圖G的樣本是指所有節(jié)點當(dāng)前符號的集合，節(jié)點符號是一個函數(shù) Ψ :v — {+，0，-， )，Ψ (vk) (vk e V)稱為節(jié)點 Vk 的符號，即
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功能故障有向圖進行故障診斷的方法，其特征在于，步驟七中所述的圖搜索的推理方法，具體步驟如下 第一步、形成已測節(jié)點和報警節(jié)點集合，確定診斷圖層 假設(shè)V。是模型所含所有節(jié)點集合，用T = {ν| Φ (V) e {+,0, -}，V e V。}表示已測節(jié)點集合，用Tk = |ν| Φ (V) e {+，-}，V e V0I表示報警節(jié)點集合,當(dāng)故障影響只在一個子系統(tǒng)節(jié)點中顯現(xiàn)，直接從該子系統(tǒng)FF-SDG圖層展開推理，若涉及多個系統(tǒng)節(jié)點，從包含這幾個系統(tǒng)的子圖最高FF-SDG圖層開始推理； 第二步、構(gòu)造報警節(jié)點的最大強連通單元 對于所有節(jié)點Vi e Τκ，沿箭頭方向回溯其相容支路，構(gòu)造報警節(jié)點的最大強連通單元，當(dāng)包括有不可測的節(jié)點時，從可測節(jié)點出發(fā)穿過非測量節(jié)點分支符號的乘積判斷是否相容； 第三步、搜索潛在故障源 對最大相容子圖分別計算故障候選集合
全文摘要
本發(fā)明提出一種功能故障有向圖進行故障診斷的方法，可應(yīng)用于航空器有些系統(tǒng)(如飛機氣路的氣源系統(tǒng)、防冰系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng))故障診斷領(lǐng)域。該方法首先進行對診斷對象系統(tǒng)分解確定組件關(guān)系建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)組件功能確定其對應(yīng)的輸入輸出，然后確定組件故障模式，分析故障傳播路徑及影響關(guān)系，設(shè)置傳感器測點與測試信息，監(jiān)測參數(shù)變化預(yù)示潛在故障，形成FF-SDG模型，最后基于FF-SDG模型的分層策略推理方法搜索潛在故障源，進行故障診斷。本發(fā)明方法能夠?qū)τ行┕收蠠o法預(yù)知，領(lǐng)域?qū)＜耀@取知識困難時的航空器系統(tǒng)快速有效找到系統(tǒng)故障源，發(fā)現(xiàn)故障原因，彌補基于手冊和基于案例的故障診斷技術(shù)的不足。
文檔編號G06F19/00GK102945311SQ201210378119
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月8日
發(fā)明者左洪福, 劉鵬鵬, 梁坤, 周虹 申請人:南京航空航天大學(xué)