周 虹 左洪福

南京航空航天大學(xué),南京,210016

基于功能結(jié)構(gòu)樹(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)SDG自動(dòng)建模研究

周 虹 左洪福

南京航空航天大學(xué),南京,210016

為獲取復(fù)雜系統(tǒng)SDG建模時(shí)所需的深層知識(shí),探討了復(fù)雜系統(tǒng)工作機(jī)理分析過(guò)程,提出了功能結(jié)構(gòu)樹(shù)概念。功能結(jié)構(gòu)樹(shù)作為構(gòu)建SDG診斷模型的平臺(tái),組織存儲(chǔ)系統(tǒng)功能、行為、故障等知識(shí)。給出了從系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)樹(shù)構(gòu)建關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)而自動(dòng)建立過(guò)程動(dòng)態(tài)SDG模型的方法。與手工建模相比,該方法省時(shí)省力、不易出錯(cuò)、易維護(hù),并能滿(mǎn)足SDG模型需要隨實(shí)際系統(tǒng)工作狀態(tài)變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整的要求。以A 320飛機(jī)氣源系統(tǒng)SDG建模為例,說(shuō)明了該方法的應(yīng)用。

功能結(jié)構(gòu)樹(shù);SDG建模;工作機(jī)理;故障診斷;關(guān)聯(lián)矩陣

0 引言

復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷過(guò)程中,常常會(huì)遇到超出領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)和經(jīng)驗(yàn)的疑難問(wèn)題,符號(hào)有向圖(SDG)方法為系統(tǒng)過(guò)程變量間的因果關(guān)系和故障傳播路徑提供簡(jiǎn)單的圖形化描述[1-2],是一種揭示系統(tǒng)潛在故障的有效方法[3]。診斷對(duì)象的SDG建模是其故障分析的基礎(chǔ),目前關(guān)于SDG建模方法主要?dú)w納為三種:基于數(shù)學(xué)模型方法、基于流程圖方法和基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的方法[4],文獻(xiàn)[5-6]在此基礎(chǔ)上提出了層次SDG結(jié)構(gòu),采用有向圖分層推理策略提高診斷速度。但對(duì)于大型復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷的SDG建模的實(shí)際應(yīng)用,面臨以下幾個(gè)問(wèn)題:①診斷知識(shí)規(guī)模龐大、種類(lèi)多樣,建模之前必須用規(guī)劃化方法分析故障因果性、層次性和相關(guān)性信息,獲取并組織診斷對(duì)象結(jié)構(gòu)、功能、行為等內(nèi)在聯(lián)系的深層知識(shí);②復(fù)雜系統(tǒng)故障關(guān)聯(lián)錯(cuò)綜復(fù)雜,并且具有動(dòng)態(tài)性和時(shí)效性,即故障之間的聯(lián)系與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)故障發(fā)生時(shí)機(jī)具有很大關(guān)系[7],靜態(tài)SDG描述很難達(dá)到故障分析要求,SDG模型應(yīng)該隨著工作狀況的變化隨時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)和參數(shù);③對(duì)復(fù)雜的大系統(tǒng)而言,手工建立模型費(fèi)時(shí)費(fèi)力,容易出錯(cuò),并且如前所述SDG圖可能隨工況動(dòng)態(tài)變化,因此十分需要通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)建模[8]。

針對(duì)這些問(wèn)題,本文研究復(fù)雜系統(tǒng)的工作機(jī)理分析方法,并提出基于系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)樹(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)SDG模型自動(dòng)構(gòu)建過(guò)程。

1 復(fù)雜系統(tǒng)工作機(jī)理分析

為建立較為完備而準(zhǔn)確的SDG模型,需要充分了解和認(rèn)識(shí)診斷對(duì)象,獲得系統(tǒng)的深層知識(shí)。系統(tǒng)具有一定的功能,功能正常時(shí)表現(xiàn)出的行為是實(shí)現(xiàn)功能的過(guò)程,功能失效時(shí)的非預(yù)期行為則表現(xiàn)為故障模式,而結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)功能與系統(tǒng)行為的載體。因此,結(jié)構(gòu)-狀態(tài)—行為—故障的組合是對(duì)系統(tǒng)的完備描述[9]。復(fù)雜系統(tǒng)工作機(jī)理分析內(nèi)容應(yīng)該包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次性劃分、表征功能的過(guò)程變量定義、功能正常時(shí)的行為過(guò)程描述和功能失效時(shí)的故障模式分析。

1.1 復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次性劃分

復(fù)雜系統(tǒng)故障傳播的因果性和層次性與其結(jié)構(gòu)層次性相關(guān)。復(fù)雜系統(tǒng)一般存在相對(duì)固定的分解結(jié)構(gòu)[10],可以從其BOM(物料清單)中獲得。為了表達(dá)子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系和由于結(jié)構(gòu)之間相互聯(lián)系惡化而引起的故障,在BOM展現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,依據(jù)系統(tǒng)功能支配關(guān)系對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行組合調(diào)整,將診斷對(duì)象劃分成有序的遞階層次。最高層為診斷系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能;中間層是分系統(tǒng)或子系統(tǒng),由不同的零部件互相協(xié)調(diào)共同完成子功能;最底層是零部件,以確定的物理作用原理和相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功能元,如此形成一棵倒置的樹(shù),將之稱(chēng)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)。

1.2 過(guò)程變量定義

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)體現(xiàn)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能層次,對(duì)樹(shù)中每一節(jié)點(diǎn),以功能是否相對(duì)獨(dú)立并能求得技術(shù)原理解為依據(jù)進(jìn)行子功能(任務(wù))分解。根據(jù)子任務(wù)剖面所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時(shí)序,選擇影響和體現(xiàn)功能特征變化的變量,具體包括環(huán)境變量、狀態(tài)變量、操作變量。

(1)環(huán)境變量是分析對(duì)象的使用環(huán)境或相鄰其他子系統(tǒng)、零部件影響分析對(duì)象的環(huán)境因素的物理屬性(如輸入物理量關(guān)系和距離、連接方式等幾何關(guān)系)。

(2)狀態(tài)變量是表征分析對(duì)象狀態(tài)的一組獨(dú)立物理屬性值(如流量、液位、溫度、壓力)。

(3)操作變量是反映部件間的連接作用的系統(tǒng)部件或測(cè)試節(jié)點(diǎn)(如閥門(mén)、開(kāi)關(guān)等)以及相關(guān)的儀表(如控制器、變送器等)。

選擇過(guò)程變量的原則是要有利于解釋故障的原因及后果。對(duì)每一過(guò)程變量依據(jù)故障發(fā)生和傳播的規(guī)律經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)調(diào)整或統(tǒng)計(jì)后確定正常理論值,正常理論值是SDG模型瞬時(shí)樣本中獲得節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的界限值判斷依據(jù)。由于實(shí)際運(yùn)行工作條件多變,動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜,正常理論值可以是確定的閾值范圍,也可以是一狀態(tài)函數(shù)。

1.3 行為過(guò)程描述

用行為過(guò)程將分解的子功能具體化,即按照系統(tǒng)原理、子任務(wù)剖面經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時(shí)序,分析變量之間的物理作用或因果關(guān)系。為反映系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行動(dòng)態(tài)變化,描述行為過(guò)程的同時(shí)需要確定引起這種行為過(guò)程的環(huán)境變量及生效條件。變量之間的物理作用或因果關(guān)系根據(jù)其影響比率數(shù)值,歸納為兩種:

(1)定性因果關(guān)系。只分析系統(tǒng)變量間的增量或減量的定性關(guān)系,影響比率為1。

(2)半定性關(guān)系。定性方法中加入定量信息,不僅分析變量間的增量或減量定性關(guān)系,還依據(jù)被影響因素和影響因素變化的傳遞時(shí)間、增益、趨勢(shì)、過(guò)程、概率等定量信息計(jì)算影響比率。

選擇行為描述方法的主要因素是先驗(yàn)的系統(tǒng)信息。當(dāng)無(wú)法建立定量模型時(shí),定性方法是自然的選擇,如果有可供利用的定量信息,那么就在定性方法的基礎(chǔ)上引入定量信息,運(yùn)用半定性方法,以改善診斷結(jié)果[11]。

1.4 失效機(jī)理分析

為將故障源的原因節(jié)點(diǎn)引入SDG模型,需要進(jìn)行系統(tǒng)失效分析。系統(tǒng)失效分析往往從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)底層零部件向上逐層進(jìn)行,對(duì)每一層節(jié)點(diǎn)表示的部附件或子系統(tǒng)分析故障模式并對(duì)每一故障模式作如下考慮:①故障的“非預(yù)期行為”,即說(shuō)明故障對(duì)本節(jié)點(diǎn)或同層其他節(jié)點(diǎn)的過(guò)程變量影響;②對(duì)上一層節(jié)點(diǎn)的影響,即導(dǎo)致上一層節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出的故障模式;③第一類(lèi)故障原因,由于其子零部件或下一層故障而導(dǎo)致其故障的原因;④第二類(lèi)故障原因,因?yàn)橥獠凯h(huán)境、條件影響導(dǎo)致其故障的原因。

分析引起系統(tǒng)或部附件發(fā)生的故障模式,需要弄清故障源形成的物理與化學(xué)過(guò)程、電學(xué)與機(jī)械學(xué)過(guò)程,綜合考慮包括空間、時(shí)間、設(shè)備(故障件)的內(nèi)部和外界多方面因素,如表1所示。

表1 失效分析考慮因素

2 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)模型

通過(guò)以上討論,對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)中每一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能-行為-狀態(tài)-故障關(guān)系描述,將各節(jié)點(diǎn)的分析結(jié)果有機(jī)地關(guān)聯(lián)起來(lái),以基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)的框架組織形式來(lái)存儲(chǔ)、管理,形成系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)樹(shù)。功能結(jié)構(gòu)樹(shù)意義在于:①它是有關(guān)診斷信息有組織的包容體,反映診斷對(duì)象結(jié)構(gòu)、功能和行為關(guān)系等診斷相關(guān)數(shù)據(jù)屬性;②它體現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次關(guān)系,從而體現(xiàn)故障傳播的層次性和子父節(jié)點(diǎn)間關(guān)系的因果性;③當(dāng)診斷知識(shí)發(fā)生變化時(shí),由于節(jié)點(diǎn)維護(hù)規(guī)模較小,維護(hù)和更新的難度不大,能夠適應(yīng)知識(shí)發(fā)生變化;④采用框架形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方便以關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的定義和管理,為診斷模型的自動(dòng)構(gòu)建提供條件。

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)樹(shù)是一個(gè)二元組,記為 H=(N,R),其中,N={N0,N1,…,Nn},表示樹(shù)中節(jié)點(diǎn)的集合 ;R={〈Ni,Nj〉}={Rij|i ≠j},表示樹(shù)中節(jié)點(diǎn)聯(lián)系的集合。R為節(jié)點(diǎn)間的父子關(guān)系,反映系統(tǒng)的層級(jí)分解關(guān)系。

對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)N i形式化表示為四元組(CI,P,B,F),CI、P、B、F 均包含相應(yīng)的屬性,其 BNF(backus-naur form)表示方式如下:

其中,CI為節(jié)點(diǎn)識(shí)別特征,其余為每一級(jí)節(jié)點(diǎn)框架結(jié)構(gòu)包含的3個(gè)槽。槽P為過(guò)程變量集,子框架包括變量閾值和變量類(lèi)型屬性;槽B為子功能描述集,子框架包含了子功能的行為過(guò)程和子功能的生效條件;槽F為節(jié)點(diǎn)的典型故障模式,子框架包含了故障模式的故障影響和故障原因。

3 基于功能結(jié)構(gòu)樹(shù)的SDG自動(dòng)建模方法

SDG模型是一種由節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間有方向的連線(xiàn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)圖,能夠表達(dá)復(fù)雜的因果關(guān)系,并且具有包容大規(guī)模潛在信息的能力,在描述大型系統(tǒng)時(shí)有很多優(yōu)勢(shì)。但目前的SDG建模方法對(duì)復(fù)雜的大系統(tǒng)而言,均需要手工建立,工作量大,容易出錯(cuò)且可操作性不強(qiáng)。此外,系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜多樣,要求SDG圖結(jié)構(gòu)或參數(shù)必須隨實(shí)際運(yùn)行工況動(dòng)態(tài)變化,因此十分需要通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)建模。

3.1 遞階動(dòng)態(tài)SDG模型

與系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)樹(shù)層次相對(duì)應(yīng),建立遞階層次的SDG模型。對(duì)于系統(tǒng)層,只以“超節(jié)點(diǎn)”形式表示分系統(tǒng),而不對(duì)分系統(tǒng)內(nèi)部展開(kāi)建立系統(tǒng)SDG模型,該模型描述分系統(tǒng)之間的關(guān)系。同理建立基于子系統(tǒng)的分系統(tǒng)SDG模型,最后建立基于零部件的子系統(tǒng)SDG圖。由于每個(gè)SDG分級(jí)模型都針對(duì)局部系統(tǒng)建立,節(jié)點(diǎn)數(shù)目控制在比較合理的范圍內(nèi),節(jié)點(diǎn)之間的傳播關(guān)系容易掌握,同時(shí)也解決了診斷分析時(shí)圖搜索計(jì)算復(fù)雜度高的問(wèn)題。這樣就將對(duì)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)SDG模型的管理轉(zhuǎn)換為對(duì)功能結(jié)構(gòu)樹(shù)節(jié)點(diǎn)的管理,降低了維護(hù)的復(fù)雜度。

為描述復(fù)雜系統(tǒng)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性,滿(mǎn)足其SDG模型隨著工況變化隨時(shí)調(diào)整的需求,本文將系統(tǒng)的工作狀態(tài)、功能的使能條件引入SDG建模過(guò)程。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)樹(shù)中存儲(chǔ)的各子功能的行為過(guò)程生效條件和動(dòng)態(tài)閾值,為過(guò)程動(dòng)態(tài)SDG的生成提供了支持。

3.2 基于功能結(jié)構(gòu)樹(shù)的遞階SDG模型生成方法

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)樹(shù)為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的組織管理提供了一個(gè)骨架作用,當(dāng)用戶(hù)將某個(gè)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)航到樹(shù)中,并設(shè)其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)為需建模的系統(tǒng)或局部系統(tǒng),可從功能結(jié)構(gòu)樹(shù)獲取節(jié)點(diǎn)信息生成SDG圖。

3.2.1 構(gòu)造關(guān)聯(lián)矩陣

功能結(jié)構(gòu)樹(shù)中可能產(chǎn)生聯(lián)系的變量包括過(guò)程變量和典型故障模式。實(shí)際建模中,為減少SDG模型的節(jié)點(diǎn)和支路數(shù)目,可以只分析過(guò)程變量而建立SDG模型,當(dāng)根據(jù)瞬時(shí)樣本初步確定故障源且需進(jìn)一步明確原因時(shí),針對(duì)故障源局部子系統(tǒng)引入故障模式作為原因節(jié)點(diǎn)建立SDG模型。對(duì)需建模的局部系統(tǒng),基于功能結(jié)構(gòu)樹(shù)中其下一級(jí)子節(jié)點(diǎn)信息構(gòu)造關(guān)聯(lián)矩陣。

(1)列出其功能結(jié)構(gòu)樹(shù)中下一級(jí)子節(jié)點(diǎn)所有變量,表示為Di,其中i∈ I,I={1,2,…,n},n為變量個(gè)數(shù)。則n個(gè)變量間的關(guān)系可用一個(gè)n×n的布爾矩陣表示,記作A。設(shè)A=(aij)n×n,初始化所有aij=0。

(2)逐項(xiàng)分析其下一級(jí)子節(jié)點(diǎn)“子功能”槽中的“行為過(guò)程”,根據(jù)是否引入原因節(jié)點(diǎn)分析“故障模式”槽中的“非預(yù)期行為”,獲取可能產(chǎn)生聯(lián)系的變量間的影響關(guān)系,構(gòu)造整體關(guān)聯(lián)矩陣或特定狀態(tài)關(guān)聯(lián)矩陣。①整體關(guān)聯(lián)矩陣,該矩陣將系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程各個(gè)狀態(tài)的變量都聯(lián)系起來(lái):若i≠j,且D i對(duì)D j是正影響關(guān)系,則aij=(1)×p,p表示影響比率;若i≠j,且Di對(duì)D j是負(fù)影響關(guān)系,則aij=(-1)×p。②特定狀態(tài)關(guān)聯(lián)矩陣,該矩陣將“子功能”的“生效條件”引入作為使能條件確定特定工況下的變量關(guān)系:若i≠j,且Di對(duì)D j是正影響關(guān)系,則aij=(1)×pU,U表示生效條件成立布爾值;若i≠j,且D i對(duì)D j是負(fù)影響關(guān)系,則aij=(-1)×pU。

3.2.2 由關(guān)聯(lián)矩陣轉(zhuǎn)化成SDG模型

上述構(gòu)造的關(guān)聯(lián)矩陣表示了系統(tǒng)在運(yùn)行中的各過(guò)程變量及特定類(lèi)型的故障間影響關(guān)系,取值范圍為[-1,1],完全定性分析時(shí),取值{-1,0,1}。而SDG模型的節(jié)點(diǎn)表示過(guò)程變量,節(jié)點(diǎn)間的有向連線(xiàn)表示節(jié)點(diǎn)間的因果關(guān)系,連線(xiàn)的符號(hào)sgn(A-B)代表節(jié)點(diǎn)間影響的方向,可看出兩者含義相同。因此,對(duì)應(yīng)于關(guān)聯(lián)矩陣的每個(gè)元素分別表示為SDG一個(gè)節(jié)點(diǎn)。元素值aij非零代表D i和D j兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在一條有向邊,這條邊從D i指向D j,元素值則表示影響的方向和影響比率。即關(guān)聯(lián)矩陣中各元素aij取不同值時(shí)的含義為

整體關(guān)聯(lián)矩陣生成的SDG圖是涵蓋了系統(tǒng)所有狀態(tài)的整體SDG模型,而特定狀態(tài)關(guān)聯(lián)矩陣對(duì)應(yīng)的SDG圖為整體SDG在一定使能條件下的有向支路,是特定狀態(tài)相對(duì)獨(dú)立的SDG模型。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)實(shí)時(shí)判斷工作狀態(tài)是否滿(mǎn)足“生效條件”來(lái)隨時(shí)調(diào)整各個(gè)狀態(tài)下的SDG模型。

4 應(yīng)用實(shí)例

A 320飛機(jī)氣源系統(tǒng)是給飛機(jī)提供適宜壓力和溫度的空氣的重要系統(tǒng),該系統(tǒng)涉及的零部件很多,在飛行及地面工作過(guò)程中與飛機(jī)及動(dòng)力裝置實(shí)時(shí)狀態(tài)相適應(yīng)[12],有多個(gè)不同工作狀態(tài),是一個(gè)多發(fā)性故障的復(fù)雜系統(tǒng)。根據(jù)A 320飛機(jī)技術(shù)資料作系統(tǒng)工作機(jī)理分析,由于目前收集到的航空公司氣源系統(tǒng)歷史故障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不充分,無(wú)法建立變量定量影響關(guān)系,因此本文將特征參數(shù)的因果關(guān)系定性地分為正影響和負(fù)影響,影響比率為1,建立氣源系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)樹(shù),如圖1所示。因篇幅有限,不能作全面的分析示例。

以發(fā)動(dòng)機(jī)引氣分系統(tǒng)為例說(shuō)明SDG建模過(guò)程。分系統(tǒng)SDG圖應(yīng)反映子系統(tǒng)之間的關(guān)系。將發(fā)動(dòng)機(jī)引氣分系統(tǒng)下一級(jí)子系統(tǒng)所有過(guò)程變量分別排成行和列,其交點(diǎn)是其相互關(guān)聯(lián)程度,依據(jù)各子系統(tǒng)中子功能的“行為過(guò)程”確定其具體值?！癙RV控制子系統(tǒng)”中“關(guān)閉引氣”功能的行為過(guò)程“+Ci→-pp0→-pj”表明PRV 閉合指令Ci增強(qiáng)導(dǎo)致PRV上游壓力p p0減小,屬負(fù)影響關(guān)系,關(guān)聯(lián)矩陣中對(duì)應(yīng)元素為-1。而pp0減小導(dǎo)致調(diào)節(jié)壓力p j減小,兩者為正影響關(guān)系,對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)矩陣元素為1。將整個(gè)飛機(jī)過(guò)程各個(gè)狀態(tài)下的所有變量都聯(lián)系起來(lái),確定關(guān)聯(lián)矩陣所有元素,轉(zhuǎn)化成整體SDG圖,如圖2所示,其中V o是過(guò)壓保護(hù)閥開(kāi)度,其他變量含義同結(jié)構(gòu)功能樹(shù)。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)引氣子系統(tǒng),當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)完成慢車(chē)—大功率爬升—巡航—進(jìn)近慢車(chē)時(shí),都會(huì)發(fā)生引氣來(lái)源之間的相互切換。隨著工作狀況的變化,模型也要隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。為得到指定工況的SDG模型,關(guān)聯(lián)矩陣計(jì)算時(shí)引入功能“生效條件”,激活總體SDG的有向支路使能條件。如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在爬升及巡航時(shí),中壓級(jí)出口壓力p m1能滿(mǎn)足 p m1＞248.04kPa(36psi)要求,采用中壓級(jí)引氣,SDG模型如圖3所示。而飛機(jī)在進(jìn)近發(fā)動(dòng)機(jī)慢車(chē)時(shí),p m1太低,引氣從高壓級(jí)引出,此時(shí)SDG模型如圖4所示。

若診斷過(guò)程中已初步確認(rèn)故障在PRV控制子系統(tǒng)內(nèi),可以將故障模式作為特殊變量引入到關(guān)聯(lián)矩陣計(jì)算過(guò)程,由此生成的 PRV控制子系統(tǒng)SDG模型中,故障模式作為原因節(jié)點(diǎn),如圖5所示。

可以看出,基于功能結(jié)構(gòu)樹(shù)的SDG建模方法能較好地解決復(fù)雜系統(tǒng)變工況的SDG自動(dòng)建模問(wèn)題,并將系統(tǒng)SDG模型表示為遞階形式。這樣,對(duì)于一個(gè)具體工作狀態(tài),其SDG模型是整體模型在一定使能條件下的有向支路,同時(shí)由于遞階模型的應(yīng)用,相對(duì)于全系統(tǒng)單層模型,在推理時(shí)全排列組合搜索計(jì)算量大為減小。如發(fā)動(dòng)機(jī)引氣分系統(tǒng)整體SDG模型有m(m=14)個(gè)子系統(tǒng),設(shè)每個(gè)子系統(tǒng)中又含節(jié)點(diǎn)數(shù)為n個(gè),發(fā)動(dòng)機(jī)引氣全系統(tǒng)單層模型進(jìn)行推理的計(jì)算復(fù)雜度為O(m2n2)。當(dāng)明確工況在發(fā)動(dòng)機(jī)爬升及巡航時(shí),引氣分系統(tǒng)SDG模型中共有k(k=11)個(gè)子系統(tǒng),使用遞階模型推理其計(jì)算復(fù)雜度為O(k2+n2),遠(yuǎn)小于全系統(tǒng)單層整體模型。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出復(fù)雜系統(tǒng)工作機(jī)理分析過(guò)程并以功能結(jié)構(gòu)樹(shù)表示。在此基礎(chǔ)上研究了定性SDG模型的建模步驟,并應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)過(guò)程動(dòng)態(tài)SDG計(jì)算機(jī)自動(dòng)建模,這具有工程應(yīng)用價(jià)值。

圖1 飛機(jī)氣源系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能樹(shù)

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)引氣分系統(tǒng)整體SDG模型

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)爬升及巡航時(shí)引氣分系統(tǒng)SDG模型

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)慢車(chē)功率下引氣分系統(tǒng)SDG模型

圖5 含原因節(jié)點(diǎn)的SDG模型

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Research on SDG M odel Automatic Construction Based on Functional Structure Tree

Zhou Hong Zuo Hongfu
Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Nanjing,210016

To obtain the deep know ledge required for SDG m odeling of a comp lex system,the analysis process of system w orking mechanism was discussed and a concept of FST was presented.FST is a kind of platform for constructing the SDG model,as it organizes diagnostic know ledge such as system function,behavior,failure.The approach of SDG modeling was introduced,w hich w as to construct conjunctionmatrix based on FST,then transform it to graph.Compared w ith SDG structured manually,this approach saves time and efforts.It can be less error-prone and easy tom aintain,It also m eets the requirements of dynamic ad justm ent o f SDG model due to changes in actual working conditions.Finally,the app licability of the approach was demonstrated with a case study of SDG modeling for A 320 aircraft pneumatics system.

functional structure tree(FST);SDG modeling;working mechanism;fau lt diagnosis;conjunction matrix

TP206

1004—132X(2011)05—0566—05

2010—05—19

國(guó)家自然科學(xué)基金與中國(guó)民航聯(lián)合資助基金重點(diǎn)項(xiàng)目(60939003)

book=575,ebook=276

(編輯 袁興玲)

周 虹,女,1973年生。南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)楣收显\斷與監(jiān)控。發(fā)表論文1篇。左洪福,男,1959年生。南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。