基于Petri網(wǎng)的機(jī)車故障診斷方法研究

1 引言

　　目前，對(duì)于機(jī)車故障檢查與診斷存在各種方法，其中專家系統(tǒng)，故障樹(shù)分析方法(fta)，以及兩者的結(jié)合體是被廣泛接受的方法，然而，他們也存在一些缺陷;fta僅能表示邏輯關(guān)系[1]，不能表示動(dòng)態(tài)行為;而專家系統(tǒng)突出弱點(diǎn)就是知識(shí)獲取的“瓶頸”問(wèn)題[2];基于故障樹(shù)的專家系統(tǒng)診斷系統(tǒng)在一些方面雖得到優(yōu)化，但是由于故障樹(shù)模型之間的缺陷，又加上診斷的規(guī)則數(shù)目較多，當(dāng)添加修改規(guī)則時(shí)，易出現(xiàn)規(guī)則之間的沖突和冗余，無(wú)法保證專家系統(tǒng)高效、正確地運(yùn)行。

　　在故障檢測(cè)與診斷領(lǐng)域中，petri網(wǎng)不僅能夠用圖形符號(hào)表示故障事件系統(tǒng)邏輯關(guān)系，知識(shí)的完成和診斷推理，而且能夠表示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，故petri網(wǎng)模型能夠用于機(jī)車故障檢測(cè)和可靠性的分析。

　　在此利用petri網(wǎng)的可達(dá)性和狀態(tài)方程方法，分析故障樹(shù)信息，解決故障檢測(cè)和故障傳播問(wèn)題。與基于故障樹(shù)的診斷方法相比，本文提出的方法具有結(jié)構(gòu)表達(dá)圖形化、 推理搜索的快速化以及診斷過(guò)程的數(shù)學(xué)化等優(yōu)點(diǎn)。

　　2 petri網(wǎng)理論基礎(chǔ)及分析

　　2.1 petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)和分析方法

　　從圖形上看，petri網(wǎng)由4種不同類型的元素組成，即庫(kù)所(place，用“○”表示)、轉(zhuǎn)移(transition，用“|”表示)、連接庫(kù)所和轉(zhuǎn)移的有向弧及位于庫(kù)所中的托肯(token，用“·”表示)。庫(kù)所表示系統(tǒng)狀態(tài)的邏輯描述，轉(zhuǎn)移表示系統(tǒng)中事件或行為產(chǎn)生過(guò)程，輸入函數(shù)(i)和輸出函數(shù)(o)分別描述庫(kù)所和轉(zhuǎn)移之間的聯(lián)結(jié)函數(shù)關(guān)系。若一庫(kù)所被賦與k個(gè)標(biāo)記(k為非負(fù)整數(shù))，則說(shuō)該庫(kù)所有k個(gè)托肯，也稱該庫(kù)所被標(biāo)記。于是定義標(biāo)記petri網(wǎng)為一5元組:

　　∑=(p,t,i,o,m)。以圖1所示petri網(wǎng)為例對(duì)上述定義進(jìn)行具體描述[6]。

　　∑=(p，t，i，o，m);

　　p={p1，p2，p3，p4};

　　m=(1 0 0 0);

　　i(t1)={p1};o(t1)={p2};

　　i(t2)={p1};o(t2)={p3};

　　i(t3)={p2,p3};o(t3)={p4};

　　圖1 petri網(wǎng)模型

　　petri網(wǎng)的執(zhí)行過(guò)程受控于網(wǎng)中托肯的數(shù)量和分布情況，并通過(guò)轉(zhuǎn)移的點(diǎn)火得以實(shí)現(xiàn)。一個(gè)轉(zhuǎn)移可點(diǎn)火，首先該轉(zhuǎn)移必須允許點(diǎn)火，即轉(zhuǎn)移使能。一個(gè)轉(zhuǎn)移使能的前提條件是該轉(zhuǎn)移的每一個(gè)輸入庫(kù)所中被標(biāo)記的托肯數(shù)至少等于該所到該轉(zhuǎn)移的有向弧數(shù)。也就是說(shuō)一個(gè)轉(zhuǎn)移的所有輸入庫(kù)所中至少包括一個(gè)托肯(假設(shè)每條有向弧的權(quán)均為1)。體現(xiàn)petri網(wǎng)動(dòng)態(tài)行為的啟動(dòng)規(guī)則是:若庫(kù)所代表的條件滿足，轉(zhuǎn)移就點(diǎn)火，點(diǎn)火后轉(zhuǎn)移的輸入庫(kù)所的托肯數(shù)等于原托肯數(shù)減去該庫(kù)所到轉(zhuǎn)移的輸出弧數(shù)。轉(zhuǎn)移的點(diǎn)火使petri網(wǎng)的標(biāo)記由m轉(zhuǎn)變?yōu)閙’。

　　關(guān)聯(lián)矩陣和狀態(tài)方程是petri網(wǎng)分析和建模的主要工具，狀態(tài)方程的表示為

　　m=m0+ct*uo

　　m，m0分別點(diǎn)火前后的初始標(biāo)識(shí)集和結(jié)果標(biāo)識(shí)集;ct為關(guān)聯(lián)矩陣，u為點(diǎn)火序列，由0，1組成的n×1列矩陣。

　　1 引言

　　目前，對(duì)于機(jī)車故障檢查與診斷存在各種方法，其中專家系統(tǒng)，故障樹(shù)分析方法(fta)，以及兩者的結(jié)合體是被廣泛接受的方法，然而，他們也存在一些缺陷;fta僅能表示邏輯關(guān)系[1]，不能表示動(dòng)態(tài)行為;而專家系統(tǒng)突出弱點(diǎn)就是知識(shí)獲取的“瓶頸”問(wèn)題[2];基于故障樹(shù)的專家系統(tǒng)診斷系統(tǒng)在一些方面雖得到優(yōu)化，但是由于故障樹(shù)模型之間的缺陷，又加上診斷的規(guī)則數(shù)目較多，當(dāng)添加修改規(guī)則時(shí)，易出現(xiàn)規(guī)則之間的沖突和冗余，無(wú)法保證專家系統(tǒng)高效、正確地運(yùn)行。

　　在故障檢測(cè)與診斷領(lǐng)域中，petri網(wǎng)不僅能夠用圖形符號(hào)表示故障事件系統(tǒng)邏輯關(guān)系，知識(shí)的完成和診斷推理，而且能夠表示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，故petri網(wǎng)模型能夠用于機(jī)車故障檢測(cè)和可靠性的分析。

　　自1962年由carl adam petri提出petri網(wǎng)的概念以來(lái)，petri網(wǎng)己廣1泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、通信協(xié)議、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及任務(wù)規(guī)劃和性能評(píng)價(jià)等領(lǐng)域。在此利用petri網(wǎng)的可達(dá)性和狀態(tài)方程方法，分析故障樹(shù)信息，解決故障檢測(cè)和故障傳播問(wèn)題。與基于故障樹(shù)的診斷方法相比，本文提出的方法具有結(jié)構(gòu)表達(dá)圖形化、 推理搜索的快速化以及診斷過(guò)程的數(shù)學(xué)化等優(yōu)點(diǎn)。

　　 2 petri網(wǎng)理論基礎(chǔ)及分析

　　2.1 petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)和分析方法

　　從圖形上看，petri網(wǎng)由4種不同類型的元素組成，即庫(kù)所(place，用“○”表示)、轉(zhuǎn)移(transition，用“|”表示)、連接庫(kù)所和轉(zhuǎn)移的有向弧及位于庫(kù)所中的托肯(token，用“·”表示)。庫(kù)所表示系統(tǒng)狀態(tài)的邏輯描述，轉(zhuǎn)移表示系統(tǒng)中事件或行為產(chǎn)生過(guò)程，輸入函數(shù)(i)和輸出函數(shù)(o)分別描述庫(kù)所和轉(zhuǎn)移之間的聯(lián)結(jié)函數(shù)關(guān)系。若一庫(kù)所被賦與k個(gè)標(biāo)記(k為非負(fù)整數(shù))，則說(shuō)該庫(kù)所有k個(gè)托肯，也稱該庫(kù)所被標(biāo)記。于是定義標(biāo)記petri網(wǎng)為一5元組:

　　∑=(p,t,i,o,m)。以圖1所示petri網(wǎng)為例對(duì)上述定義進(jìn)行具體描述[6]。

　　∑=(p，t，i，o，m);

　　p={p1，p2，p3，p4};

　　m=(1 0 0 0);

　　i(t1)={p1};o(t1)={p2};

　　i(t2)={p1};o(t2)={p3};

　　i(t3)={p2,p3};o(t3)={p4};

　　圖1 petri網(wǎng)模型

　　petri網(wǎng)的執(zhí)行過(guò)程受控于網(wǎng)中托肯的數(shù)量和分布情況，并通過(guò)轉(zhuǎn)移的點(diǎn)火得以實(shí)現(xiàn)。一個(gè)轉(zhuǎn)移可點(diǎn)火，首先該轉(zhuǎn)移必須允許點(diǎn)火，即轉(zhuǎn)移使能。一個(gè)轉(zhuǎn)移使能的前提條件是該轉(zhuǎn)移的每一個(gè)輸入庫(kù)所中被標(biāo)記的托肯數(shù)至少等于該所到該轉(zhuǎn)移的有向弧數(shù)。也就是說(shuō)一個(gè)轉(zhuǎn)移的所有輸入庫(kù)所中至少包括一個(gè)托肯(假設(shè)每條有向弧的權(quán)均為1)。體現(xiàn)petri網(wǎng)動(dòng)態(tài)行為的啟動(dòng)規(guī)則是:若庫(kù)所代表的條件滿足，轉(zhuǎn)移就點(diǎn)火，點(diǎn)火后轉(zhuǎn)移的輸入庫(kù)所的托肯數(shù)等于原托肯數(shù)減去該庫(kù)所到轉(zhuǎn)移的輸出弧數(shù)。轉(zhuǎn)移的點(diǎn)火使petri網(wǎng)的標(biāo)記由m轉(zhuǎn)變?yōu)閙’。

　　關(guān)聯(lián)矩陣和狀態(tài)方程是petri網(wǎng)分析和建模的主要工具，狀態(tài)方程的表示為

　　m=m0+ct*uo

　　m，m0分別點(diǎn)火前后的初始標(biāo)識(shí)集和結(jié)果標(biāo)識(shí)集;ct為關(guān)聯(lián)矩陣，u為點(diǎn)火序列，由0，1組成的n×1列矩陣。

　　2.2 故障樹(shù)到petri網(wǎng)的轉(zhuǎn)換

　　故障樹(shù)是事件間的一種布爾邏輯關(guān)系模型，也是一種特殊的樹(shù)狀邏輯因果關(guān)系圖，它用規(guī)定的事件，邏輯門和其它符號(hào)描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系[3][4]。

　　petri網(wǎng)能夠用圖形符號(hào)表示事件的原因和結(jié)果間的關(guān)系。按照使能規(guī)則每個(gè)邏輯門都能夠用petri網(wǎng)模型來(lái)表示。將故障樹(shù)的各種邏輯連接關(guān)系簡(jiǎn)化為只有庫(kù)所和轉(zhuǎn)移組成，以有向弧為連接邊的網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)的故障模型簡(jiǎn)潔、易懂，使故障的傳播關(guān)系一目了然，更重要的是可以采用petri網(wǎng)的可達(dá)性和狀態(tài)方程來(lái)進(jìn)行故障診斷.根據(jù)所建立的診斷petri網(wǎng)模型，就可以通過(guò)矩陣操作來(lái)診斷故障元件。

　　2.3 故障petri網(wǎng)診斷方法

　　在基于故障petri網(wǎng)的故障診斷處理時(shí)，其目的主要是找出故障源。輸入庫(kù)所的初始標(biāo)識(shí)可表示為故障發(fā)生的征兆，若有征兆出現(xiàn)，則該輸入庫(kù)所就包含一個(gè)托肯，否則庫(kù)所為空。而最終標(biāo)識(shí)的求解可以通過(guò)故障petri網(wǎng)可達(dá)性和狀態(tài)方程來(lái)實(shí)現(xiàn)，推理過(guò)程結(jié)束時(shí)，如果目標(biāo)庫(kù)所中含有托肯，則表示故障事件發(fā)生了，否則表示沒(méi)有故障發(fā)生。

　　而由故障傳播的特性可知，故障petri網(wǎng)中流動(dòng)的是故障信息，變遷點(diǎn)火后其輸入庫(kù)所中托肯數(shù)目并不發(fā)生變化，只是在變遷的輸出庫(kù)所中產(chǎn)生一個(gè)新的托肯。在這種情況下，在故障petri網(wǎng)中，在此為了簡(jiǎn)化建模計(jì)算，假設(shè)當(dāng)某個(gè)變遷點(diǎn)火后其輸入庫(kù)所中托肯消失，但可從m0…mk-1可知當(dāng)前狀態(tài)前各級(jí)庫(kù)所中的托肯。

　　petri網(wǎng)故障診斷模型的建立：

　　步驟1：根據(jù)診斷問(wèn)題的邏輯關(guān)系，如故障樹(shù)，建立診斷問(wèn)題的petri網(wǎng)模型;

　　步驟2: 寫(xiě)出對(duì)應(yīng)故障征兆和目標(biāo)故障的初始庫(kù)所和目標(biāo)庫(kù)所;

　　步驟3: 確定故障petri網(wǎng)的初始標(biāo)識(shí)m0，并求出關(guān)聯(lián)矩陣ct,時(shí)間標(biāo)簽計(jì)數(shù)器k=0;

　　步驟4：由當(dāng)前的標(biāo)示mk根據(jù)變遷使能規(guī)則，求出變遷點(diǎn)火序列uk，若有uk存在，則轉(zhuǎn)入步驟5，否則步驟6;

　　步驟5：求系統(tǒng)下一狀態(tài)，k=k+1;轉(zhuǎn)步驟4;

　　步驟 6：取最后的標(biāo)識(shí)為系統(tǒng)結(jié)果狀態(tài)，從該標(biāo)識(shí)判斷目標(biāo)庫(kù)所包含的托肯數(shù)，若為1，則該故障事件發(fā)生，反之則不然。

　　3 基于petri網(wǎng)的機(jī)車故障診斷模型

　　現(xiàn)以ss7型電力機(jī)車電源柜故障為例[5]，其故障樹(shù)模型如圖2所示。

　　圖2 故障樹(shù)模型

　　t: 電源柜故障;a1：晶閘管故障;a2:阻容保護(hù)板故障;a3：穩(wěn)壓觸發(fā)板損壞;a4：機(jī)破;x1：變壓器繞組太小且匝數(shù)太多;x2：過(guò)電壓吸收電阻開(kāi)路;x3：電容炸裂;x4：b組脈沖變壓器接線錯(cuò)誤;x5：kbr與kbc接線錯(cuò)誤;x6：吸收電阻燒毀;x7：qs34沒(méi)有接通;針對(duì)圖2的故障樹(shù)建立相應(yīng)的petri 網(wǎng)模型如圖3所示。

　　圖3 petri網(wǎng)模型

　　根據(jù)圖3知源庫(kù)所為{p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7}，目標(biāo)庫(kù)所為{p12};假定征兆 “吸收電阻燒毀”出現(xiàn)即p6中含有托肯，于是

　　m0=(0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0)則關(guān)聯(lián)矩陣

　　t6可點(diǎn)火，于是uo=(0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0)t,有狀態(tài)方程知下一狀態(tài)：m1=m0+ct*uo=(0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0)t，可知托肯從p6轉(zhuǎn)移到p9，根據(jù)petri網(wǎng)模型知如果t9可以點(diǎn)火, 庫(kù)所中的托肯又可以繼續(xù)轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)，于是得到 u1=「0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 」t，m2=m1+ct*u1=「0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1」t,在此沒(méi)有下一級(jí)轉(zhuǎn)移使能，m2為系統(tǒng)的最終狀態(tài)：p12=1即電源柜故障發(fā)生。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文對(duì)petri網(wǎng)在機(jī)車故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用研究做了新的探索。在分析機(jī)車故障的基本特性的基礎(chǔ)上，建立故障樹(shù)模型，結(jié)合petri網(wǎng)建模理論，提出了一種適合故障特性的故障petri網(wǎng)模型，該模型能夠很好地描述故障的演變和傳播特點(diǎn)，解決故障的各種傳播模式問(wèn)題;并提出了故障petri網(wǎng)的診斷方法，該方法可以方便快速地找出故障的傳播路徑，并應(yīng)用實(shí)際的例子證明了該方法的可行性。