劉淑芬,楊雙雙,王 輝
(1. 吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)春 130012;2. 河南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河南 焦作 454000)
基于故障樹和Bayes網(wǎng)絡(luò)組合的裝備故障診斷
劉淑芬1,2,楊雙雙2,王 輝2
(1. 吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)春 130012;
2. 河南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河南 焦作 454000)
針對(duì)故障樹和Bayes網(wǎng)絡(luò)在故障診斷中的局限性,提出一種使用故障樹和Bayes網(wǎng)絡(luò)組合的方式建立診斷故障Bayes網(wǎng)絡(luò),并基于診斷故障Bayes網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用聯(lián)合樹推理進(jìn)行故障診斷的方法. 該方法解決了在復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷過程中獨(dú)立運(yùn)用故障樹和Bayes網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障推理能力弱和建模難等問題. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,使用該方法對(duì)某型艦船上的甲板燈光照明系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷,得出了各個(gè)故障征兆節(jié)點(diǎn)或故障原因節(jié)點(diǎn)的概率分布,從而可快速準(zhǔn)確地定位甲板燈光照明系統(tǒng)故障.
故障樹; Bayes網(wǎng)絡(luò); 聯(lián)合樹; 故障診斷
實(shí)現(xiàn)裝備的快速故障診斷對(duì)提高裝備的戰(zhàn)備完好率、 二次出動(dòng)率和戰(zhàn)斗力再生,保證任務(wù)成功及降低裝備的維護(hù)和保障費(fèi)用具有重要意義. 但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,各類裝備的技術(shù)含量不斷提升,結(jié)構(gòu)原理日益復(fù)雜,維修難度越來越高,使有效故障診斷的實(shí)施變得更加困難,因設(shè)備故障而引起的災(zāi)難性事故屢有發(fā)生[1]. 因此,尋求快速對(duì)復(fù)雜裝備系統(tǒng)的故障進(jìn)行建模和推理的方法,引起了人們廣泛關(guān)注[2].
Mourad等[3]提出用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決故障識(shí)別問題的診斷方法; Cabasino等[4]將Petri網(wǎng)應(yīng)用到不可觀測(cè)的故障中,通過在Petri網(wǎng)模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上分析,最終檢測(cè)到每個(gè)不可觀測(cè)故障事件的發(fā)生. 但上述兩種方法都存在一定的缺陷[5]. Mentes等[6]運(yùn)用故障樹分析方法并在此基礎(chǔ)上結(jié)合了模糊集理論,結(jié)果表明模糊故障樹風(fēng)險(xiǎn)分析方法用于故障診斷具有更強(qiáng)的靈活性; Bartlett等[7]考慮到現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高可靠性特點(diǎn),將故障樹分析技術(shù)使用比較方法,運(yùn)用到多個(gè)故障的問題中,體現(xiàn)了故障樹分析法的有效性.
BN(Bayesian networks,BNs)是一種不確定性因果關(guān)聯(lián)和推理的模型,其推理原理基于Bayes概率理論,推理過程的實(shí)質(zhì)就是概率計(jì)算,因此具有強(qiáng)大的推理能力和處理不確定因素能力. 文獻(xiàn)[8]提出一種新的Bayes網(wǎng)絡(luò)分類器的故障診斷方法; 文獻(xiàn)[9]指出了在研究復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷方面BN表現(xiàn)出的優(yōu)越性. 但BN的建造需要設(shè)計(jì)知識(shí)工程師和領(lǐng)域?qū)<业墓餐瑓⑴c,使BN在故障診斷領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用受到了限制.
針對(duì)故障樹和Bayes網(wǎng)絡(luò)在研究故障診斷方面的局限性,本文提出一種使用故障樹(FT)和Bayes網(wǎng)絡(luò)(BN)組合的方式建立診斷故障Bayes網(wǎng)絡(luò)DFBN,并基于DFBN運(yùn)用聯(lián)合樹推理進(jìn)行故障診斷,提高了裝備故障診斷的效率和準(zhǔn)確性.
診斷故障Bayes網(wǎng)絡(luò)DFBN是用于描述復(fù)雜系統(tǒng)故障的Bayes網(wǎng)絡(luò),它提供了一種自然表示因果關(guān)系的方法[10],是由FT與BN組合產(chǎn)生的.
定義1DFBN可表示一個(gè)二元組DFBN=〈G,P〉,其中:G=〈N,E〉為一個(gè)有向無環(huán)圖,用于表示故障因果關(guān)系結(jié)構(gòu)圖;P為概率參數(shù),是DFBN中故障節(jié)點(diǎn)間依賴程度的一種精確表示.
G表示故障發(fā)生的因果關(guān)系結(jié)構(gòu)圖,在G=〈N,E〉中,節(jié)點(diǎn)N表示系統(tǒng)中可能引起或產(chǎn)生故障的事件集合,N={X1,X2,…,Xn}表示系統(tǒng)故障由n個(gè)可能事件引起. 對(duì)于任意一個(gè)事件Xi,都有Xi=(x1,x2,…,xm)表示事件Xi有m種可能的取值,不同的事件Xi,m值不同.E是有向邊集合,表示引起或產(chǎn)生故障事件的因果依賴關(guān)系.P表示G中事件節(jié)點(diǎn)的概率分布,G中每個(gè)事件節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)條件概率表,定量地描述其所有的父節(jié)點(diǎn)對(duì)該節(jié)點(diǎn)影響的大小.
故障樹FT是一個(gè)三元組,FT=(N,O,D),其中:N為事件集;O為邏輯運(yùn)算集合;D為事件的論域集合. FT中每個(gè)事件的論域都是二元的,正常取0,故障取1. 文獻(xiàn)[11]論述了FT 中的事件集與BN中的事件集可一一對(duì)應(yīng),FT中的邏輯關(guān)系都可通過一定的轉(zhuǎn)換法則轉(zhuǎn)換,表現(xiàn)為BN中節(jié)點(diǎn)的條件概率表(CPT),所以DFBN可以完全表達(dá)FT中的信息.
下面根據(jù)FT與BN組合到DFBN的轉(zhuǎn)換算法[12]實(shí)現(xiàn)DFBN的建造:
1) 將FT中所有基本事件對(duì)應(yīng)表達(dá)為DFBN中的根節(jié)點(diǎn),如果FT中的根節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)多次,則在DFBN中只需表達(dá)一個(gè)根節(jié)點(diǎn);
2) 將FT中各基本事件的先驗(yàn)概率直接賦值給DFBN中對(duì)應(yīng)的根節(jié)點(diǎn)作為其先驗(yàn)概率;
3) 將FT中的每個(gè)邏輯門都表達(dá)為DFBN中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)標(biāo)志和狀態(tài)取值與FT中邏輯門的輸出事件一致;
4) 按照FT中表達(dá)的邏輯門與基本事件的關(guān)系連接DFBN中的節(jié)點(diǎn),連接節(jié)點(diǎn)的有向邊與FT中邏輯門的輸入輸出關(guān)系對(duì)應(yīng);
5) 將FT中邏輯門的邏輯關(guān)系表達(dá)為DFBN中對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的條件概率表.
利用DFBN對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷,在給定系統(tǒng)故障證據(jù)下,分析各部件發(fā)生故障的后驗(yàn)概率,找到最可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障的原因[13],即在給定故障征兆節(jié)點(diǎn)E=e的情況下,計(jì)算故障原因節(jié)點(diǎn)V發(fā)生的概率P(V|E=e). 文獻(xiàn)[14]研究表明,BN和SS聯(lián)合樹((junction tree,JT),BP(信念勢(shì)))在概率推理上具有等價(jià)性. 本文采用聯(lián)合樹推理算法進(jìn)行故障診斷推理,該診斷過程如下:
1) JT的構(gòu)造.
JT的構(gòu)造分為4個(gè)步驟:
① 對(duì)于DFBN中的每個(gè)節(jié)點(diǎn),連接他們的父節(jié)點(diǎn),即Marrying Parents; 刪掉原來邊的方向; 一個(gè)有向圖G被轉(zhuǎn)化為道義圖GM;
② 對(duì)包含大于3個(gè)(不包含3個(gè))節(jié)點(diǎn)數(shù)的環(huán),增加一條無向邊,連接環(huán)中的兩個(gè)非相鄰節(jié)點(diǎn),道義圖GM被轉(zhuǎn)化為三角化圖GT;
③ 在三角化圖GT中,確定團(tuán)節(jié)點(diǎn),每個(gè)團(tuán)節(jié)點(diǎn)都是無向圖的子圖;
④ 連接團(tuán)節(jié)點(diǎn)和分割點(diǎn),建立JT.
2) JT的初始化.
for 一個(gè)隨機(jī)變量V
找到包含V的團(tuán)Ci;
fori=1,2,…,n(n為團(tuán)的數(shù)目)
forj=1,2,…,m(m為團(tuán)Ci狀態(tài)組合的個(gè)數(shù))
初始化Φij,使Φij=1;
forj=1,2,…,m
Φij=Φij×P(V|Pa(V)).
3) 信念的傳遞和吸收.
對(duì)初始化后的JT進(jìn)行信念的傳遞和吸收,使JT滿足一致性的條件. 而一致的聯(lián)接樹需滿足以下兩個(gè)屬性:
① 聯(lián)合樹把聯(lián)合概率分布編碼為團(tuán)的信念勢(shì)乘積除以分隔點(diǎn)信念勢(shì)的乘積,為
② 分隔點(diǎn)和與它相鄰的團(tuán)是一致的,即可通過邊緣化鄰接的任何團(tuán),得到分隔點(diǎn)的信念勢(shì)
(2)
信念的傳遞和吸收通過在團(tuán)節(jié)點(diǎn)上調(diào)用COLLECT_EVIDENCE(C)和DISTRIBUTE_EVIDENCE(C)算法完成. 在聯(lián)接樹中進(jìn)行信念傳遞的算法如下:
PROCEDURE COLLECT_EVIDENCE(C)
for each鄰接團(tuán)CiCOLLECT_EVIDENCE(Ci)
從Ci傳遞信念
PROCEDURE DISTRIBUTE_EVIDENCE(C)
從Ci傳遞信念
for each鄰接團(tuán)CiDISTRIBUTE_EVIDENCE(Ci).
4) 概率計(jì)算.
信念在聯(lián)合樹中進(jìn)行傳遞,當(dāng)信念從團(tuán)節(jié)點(diǎn)傳遞到分隔點(diǎn)時(shí),根據(jù)式
對(duì)分隔點(diǎn)進(jìn)行更新,當(dāng)信念從分隔點(diǎn)傳遞到團(tuán)節(jié)點(diǎn)時(shí),根據(jù)式
對(duì)團(tuán)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新.
當(dāng)聯(lián)合樹一致后,要計(jì)算任意變量V的概率分布,需要先識(shí)別一個(gè)包括變量V的團(tuán)節(jié)點(diǎn)或分隔節(jié)點(diǎn)X,邊緣化其信念即可計(jì)算P(V),如
當(dāng)已知故障征兆節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí),計(jì)算故障原因節(jié)點(diǎn)V的概率,即計(jì)算P(V|e),可根據(jù)式
得到.
以某型艦船燈光系統(tǒng)中甲板燈光照明系統(tǒng)故障為例,使用本文提出的方法建立DFBN,并對(duì)其用聯(lián)合樹推理方法進(jìn)行故障診斷.
3.1建立甲板燈光照明系統(tǒng)DFBN
某型艦船甲板燈光照明系統(tǒng)的故障樹如圖1(A)所示. 在該故障樹中G1是頂事件,G2,G3,G4,G5,G6是中間事件,A,B,C,D,E,F,K,H,I,J是底事件,a,b,c,d,f是邏輯或門,e是邏輯與門.
圖1中G1為甲板燈光無法照明,G2為顯控臺(tái),G3為主控箱,G4為電源箱,G5為指控盒,G6為控制臺(tái)背板,A為CAN接口故障,B為顯控臺(tái)開關(guān)未開啟,C為主控箱輸出錯(cuò)誤,D為風(fēng)機(jī),E為保險(xiǎn)管,F為控制臺(tái)線路故障,G為顯控盒輔助線路無電流,H為指控臺(tái)輸出指令錯(cuò)誤,I為供電輸入,J為控制臺(tái)背板線路短路.
采用本文FT到DFBN的轉(zhuǎn)換算法,可得到轉(zhuǎn)換后的DFBN,如圖1(B)所示. Bayes網(wǎng)上相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的條件概率分配列于表1.
表1 DFBN中節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率分布Table 1 Prior probability distribution in DFBN
3.2對(duì)甲板燈光照明系統(tǒng)DFBN進(jìn)行結(jié)構(gòu)化
根據(jù)JT的構(gòu)造方法,把甲板燈光照明系統(tǒng)DFBN進(jìn)行結(jié)構(gòu)化,通過構(gòu)造道義圖、 三角化和區(qū)分團(tuán)節(jié)點(diǎn),最終把DFBN編譯為JT結(jié)構(gòu). 甲板燈光照明系統(tǒng)DFBN結(jié)構(gòu)化后的JT如圖1(C)所示.
圖1 模型艦船甲板照明系統(tǒng)故障樹、 DFBN和JTFig.1 Fault tree,DFBN and JT of a ship deck lighting system
3.3初始化JT
要在轉(zhuǎn)化過的JT上進(jìn)行信息傳遞,就要為聯(lián)接樹的所有節(jié)點(diǎn)指定參數(shù),即對(duì)聯(lián)接樹進(jìn)行初始化,把表1中DFBN節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率賦值給JT中相應(yīng)的團(tuán)和分隔點(diǎn),結(jié)果列于表2. 將每個(gè)團(tuán)或分隔點(diǎn)信念勢(shì)Фx的值置為1. 對(duì)于任意變量V,其父親節(jié)點(diǎn)為Pa(V),把V和Pa(V)指派到包括他們的團(tuán)中,得到相應(yīng)的條件概率P(V|Pa(V)),將X的原勢(shì)函數(shù)與V的參數(shù)乘積作為X新的勢(shì)函數(shù),即Фx←ФxP(V|Pa(V)).
表2 JT中節(jié)點(diǎn)的概率Table 2 Probability of node in JT
3.4傳遞和吸收信念
1) 節(jié)點(diǎn)證據(jù)未給定情況下信念的傳遞和吸收. 在JT滿足約束條件后,選取G1G2G3G4作為根節(jié)點(diǎn),并在此處調(diào)用COLLECT_EVIDENCE(C),信念從葉子節(jié)點(diǎn)G5FK,G6HIJ,G4DE傳遞到根節(jié)點(diǎn)G1G2G3G4,傳遞的信念分別是Φ1,Φ2,Φ3,Φ4,Φ5,傳遞方向如圖2所示; 在節(jié)點(diǎn)G1G2G3G4處調(diào)用DISTRIBUTE_EVIDENCE(C),信念從根節(jié)點(diǎn)G1G2G3G4開始傳遞,直到葉子節(jié)點(diǎn)G5FK,G6HIJ,G4DE處,傳遞的信念分別是ψ1,ψ2,ψ3,ψ4,ψ5,傳遞方向如圖3所示. 根據(jù)式
計(jì)算傳遞的信念,最終得到各信念計(jì)算的表達(dá)式列于表3.
表3 未給定證據(jù)情況下信念的吸收和傳遞Table 3 Absorption and transmission of the belief when evidence has not been given
圖2 吸收信念Fig.2 Absorption belief
圖3 傳遞信念Fig.3 Transmission belief
表4 給定證據(jù)情況下信念的吸收與傳遞Table 4 Absorption and transmission of the belief when evidence has been given
3.5計(jì)算概率
綜上所述,本文針對(duì)故障樹和Bayes網(wǎng)絡(luò)在故障診斷領(lǐng)域的局限性,提出了通過建立基于故障樹和Bayes網(wǎng)絡(luò)組合的DFBN,再通過對(duì)DFBN結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變、 信念的傳遞及概率的計(jì)算,增強(qiáng)了故障的分析和推理能力,提高了艦船故障診斷的效率和準(zhǔn)確性,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)故障樹只能應(yīng)用簡(jiǎn)單系統(tǒng),邏輯二值性表達(dá)推理能力差及Bayes網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜系統(tǒng)中建造困難的缺點(diǎn),增強(qiáng)了復(fù)雜系統(tǒng)中故障診斷的能力.
[1]鐘群鵬,張崢,有移亮. 我國(guó)安全生產(chǎn)(含安全制造)的科學(xué)發(fā)展若干問題 [J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(1): 7-18. (ZHONG Qunpeng,ZHANG Zheng,YOU Yiliang. Safety Production in China (Including Safety) on Several Issues of Science Development [J]. Journal of Mechanical Engineering,2007,43(1): 7-18.)
[2]王國(guó)彪,何正嘉,陳雪峰. 機(jī)械故障診斷基礎(chǔ)研究“何去何從” [J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,49(1): 63-72. (WANG Guobiao,HE Zhengjia,CHEN Xuefeng. Basic Research of Mechanical Fault Diagnosis “Go” [J]. Journal of Mechanical Engineering,2013,49(1): 63-72.)
[3]Mourad E,Nayak A. Comparison-Based System-Level Fault Diagnosis: A Neural Network Approach [J]. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems,2012,23(6): 1047-1059.
[4]Cabasino M,Gina A,Lafortune S,et al. A New Approach for Diagnosability Analysis of Petri Nets Using Verifier Nets [J]. Automatic Control,2012,57(12): 3104-3117.
[5]Pamuk N,Uyaroglu Y. The Fault Diagnosis for Power System Using Fuzzy Petri Nets [J]. Przeglad Elektrotechniczny,2012,88(7a): 99-102.
[6]Mentes A,Helvacioglu I H. An Application of Fuzzy Fault Tree Analysis for Spread Mooring Systems [J]. Ocean Engineering,2011,38(2): 285-294.
[7]Bartlett L M,Hurdle E E,Kelly E M. Integrated System Fault Diagnostics Utilising Digraph and Fault Tree-Based Approaches [J]. Reliability Engineering & System Safety,2009,94(6): 1107-1115.
[8]Zhang Z,Zhu J,Pan F. Fault Detection and Diagnosis for Data Incomplete Industrial Systems with New Bayesian Network Approach [J]. Systems Engineering and Electronics,2013,24(3): 500-511.
[9]王華偉,周經(jīng)倫,何祖玉,等. 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷 [J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2004,10(2): 230-234. (WANG Huawei,ZHOU Jinglun,HE Zuyu,et al. Complex System Fault Diagnosis Based on Bayesian Networks [J]. Computer Integrated Manufacturing System,2004,10(2): 230-234.)
[10]李云春,秦先龍. 面向分布式應(yīng)用管理的混合故障診斷模型 [J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2010,47(3): 13. (LI Yunchun,QIN Xianlong. Mixed Fault Diagnosis Model for Distributed Application Management [J]. Research and Development of the Computer,2010,47(3): 13.)
[11]楊昌昊,胡小建,竺長(zhǎng)安. 從故障樹到故障貝葉斯網(wǎng)映射的故障診斷方法 [J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2009,30(7): 1481-1486. (YANG Changhao,HU Xiaojian,ZHU Chang’an. From Fault Tree to Bayesian Network Mapping Method of Fault Diagnosis [J]. Journal of Instrument,2009,30(7): 1481-1486.)
[12]李儉川,胡蔦慶,秦國(guó)軍,等. 基于故障樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建造方法與故障診斷應(yīng)用 [J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2003(24): 225-228. (LI Jianchuan,HU Niaoqing,QIN Guojun,et al. Bayesian Network Construction Method Based on Fault Tree and Fault Diagnosis Applications [J]. Computer Engineering and Application,2003(24): 225-228.)
[13]劉東,張春元,邢維艷. 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的多階段系統(tǒng)可靠性分析模型 [J]. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2008,31(10): 1814-1825. (LIU Dong,ZHANG Chunyuan,XING Weiyan. Multi-stage System Based on Bayesian Network Model for Reliability Analysis [J]. Journal of Computer,2008,31(10): 1814-1825.)
[14]胡小建,楊善林,馬溪駿. 基于聯(lián)結(jié)樹的貝葉斯網(wǎng)的推理結(jié)構(gòu)及構(gòu)造算法 [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2004,16(11): 2559-2563. (HU Xiaojian,YANG Shanlin,MA Xijun. Based on the Bayesian Network to Link Tree Structure and the Construction Algorithm of Reasoning [J]. Journal of System Simulation,2004,16(11): 2559-2563.)
(責(zé)任編輯: 韓 嘯)
FaultDiagnosisofEquipmentBasedonFaultTreeCombinedwithBayesianNetwork
LIU Shufen1,2,YANG Shuangshuang2,WANG Hui2
(1.CollegeofComputerScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130012,China; 2.CollegeofComputerScienceandTechnology,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,HenanProvince,China)
A new equipment fault diagnosis method was proposed. In this method,we established the fault diagnosis Bayesian network through the combination of the fault tree with Bayesian network,and used joint tree to reason out the fault diagnosis based on the diagnosis fault Bayesian network. The method can solve the problems that modelling hardly and weakly reasoning ability caused by respectively using fault tree and Bayesian network. Fault diagnosis to a deck lighting system of a ship was carried out,and then the probability distributions of fault nodes were calculated,as a result,the fault of deck lighting system can be located quickly and accurately.
fault tree; Bayesian network; junction tree; fault diagnosis
2013-09-02.
劉淑芬(1950—),女,漢族,教授,博士生導(dǎo)師,從事計(jì)算機(jī)協(xié)同工作技術(shù)和軟件工程的研究,E-mail: liusf@mail.jlu.edu.cn. 通信作者: 王 輝(1975—),男,漢族,博士研究生,副教授,從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)安全和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究,E-mail: wanghui_jsj@hpu.edu.cn; 楊雙雙(1987—),女,漢族,碩士研究生,從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和故障診斷的研究,E-mail: yangshuang315@sina.com.
國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào): 60973041)、 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃863重點(diǎn)項(xiàng)目基金(批準(zhǔn)號(hào): 2009AA010314)和吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào): 2011507).
TP391
A
1671-5489(2014)05-0982-07