基于模糊Petri網(wǎng)的攤鋪機(jī)液壓調(diào)平系統(tǒng)故障診斷

張　超，晁鵬軍，張接信(．長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安　70064; ．天津一汽豐田汽車有限公司，天津　300457)

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基于模糊Petri網(wǎng)的攤鋪機(jī)液壓調(diào)平系統(tǒng)故障診斷

張超1，晁鵬軍2，張接信1
(1．長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064; 2．天津一汽豐田汽車有限公司，天津300457)

摘要:以SP120攤鋪機(jī)的液壓調(diào)平系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分析該系統(tǒng)的故障形式及其原因，提出基于模糊Petri網(wǎng)的攤鋪機(jī)液壓調(diào)平系統(tǒng)的故障診斷方法，用模糊Petri網(wǎng)表示液壓調(diào)平系統(tǒng)故障診斷知識(shí)，建立模糊Petri網(wǎng)故障診斷推理模型，并利用基于圖形搜索的模糊Petri網(wǎng)推理算法對(duì)其進(jìn)行故障的推理和診斷，驗(yàn)證該算法的可行性，該方法應(yīng)用于診斷工程機(jī)械液壓系統(tǒng)故障是準(zhǔn)確有效的。

關(guān)鍵詞:模糊Petri網(wǎng);故障診斷;推理模型;攤鋪機(jī);液壓調(diào)平系統(tǒng)

瀝青攤鋪機(jī)是一種將拌制好的瀝青混合料按照一定的寬度、厚度、壓實(shí)度、平整度和工作速度要求，均勻的鋪設(shè)在修建好的路面基層上，供壓路機(jī)進(jìn)一步碾壓成型的筑路機(jī)械［1］。隨著我國公路交通事業(yè)日新月異的發(fā)展，對(duì)瀝青路面的使用性能有了更高的質(zhì)量要求，進(jìn)而也對(duì)瀝青攤鋪機(jī)的性能、精度尤其是其液壓調(diào)平系統(tǒng)提出了更高的要求。攤鋪機(jī)熨平板的液壓調(diào)平系統(tǒng)作為攤鋪機(jī)的一個(gè)重要特征，是影響攤鋪路面平整度的最關(guān)鍵的系統(tǒng)［2－3］，其一旦出現(xiàn)故障，將嚴(yán)重影響攤鋪路面的質(zhì)量，從而影響整個(gè)工程項(xiàng)目的進(jìn)展，引起重大損失。因此，及時(shí)地進(jìn)行瀝青攤鋪機(jī)液壓調(diào)平系統(tǒng)故障診斷和維護(hù)工作，不僅可以大大減少系統(tǒng)的故障發(fā)生率，節(jié)約運(yùn)行成本，還可以提高設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率、可靠性和安全性，對(duì)于促進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、加快國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

1　模糊Petri網(wǎng)模型

Petri網(wǎng)是由德國科學(xué)家Carl Adam Petri于1962年提出的，它是一種有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義，并且用網(wǎng)狀圖形表示系統(tǒng)模型的方法。由于Petri網(wǎng)具有異步、并發(fā)的特性，故常用于描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為［4］，目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)通訊、自動(dòng)控制、柔性制造系統(tǒng)(FMS)等領(lǐng)域［5］。在實(shí)際的復(fù)雜系統(tǒng)里，影響因素往往復(fù)雜多變，使得故障診斷過程更加復(fù)雜艱難，具有很強(qiáng)的模糊性和不確定性，而Petri網(wǎng)只能處理精確知識(shí)，對(duì)此類帶有不確定性、模糊知識(shí)的問題無法進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。為此，引入模糊數(shù)學(xué)中的理論，將模糊數(shù)學(xué)中的方法與Petri網(wǎng)相互融合，提出基于模糊Petri網(wǎng)的液壓系統(tǒng)故障診斷方法。該方法既充分考慮到系統(tǒng)故障的發(fā)生概率、發(fā)生程度和發(fā)生部位的模糊性，又極好地利用了Petri網(wǎng)推理問題嚴(yán)密、表達(dá)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性與安全性進(jìn)行分析推理的有效工具。

1．1模糊Petri網(wǎng)的定義

通用的模糊Petri網(wǎng)(FPN)定義為1個(gè)8元組［6－8］表達(dá)式為

式中P={ p1，p2，……，pn}是一個(gè)庫所有限集合; T={ t1，t2，……，tn}是一個(gè)變遷的有限集合; P∩T=Φ; D={ d1，d2，…，dn}是一個(gè)命題的有限集合; I: P→T→{ 0，1}為輸入函數(shù)，表示從庫所到變遷的映射。若I(p，t) = 1，則表示p與t之間有聯(lián)系;若I(p，t) = 0，則表示p與t之間無聯(lián)系; O: T→P→{ 0，1}為輸出函數(shù)，表示從變遷到庫所的映射。若O(t，p) = 1，則表示t與p之間有聯(lián)系;若O(t，p) = 0，則表示t與p之間無聯(lián)系; f=T→［0，1］為變遷的可信度函數(shù)，表示從變遷T至一個(gè)0～1的實(shí)數(shù)的映射;α=P→［0，1］為P的一個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)，表示從庫所至一個(gè)0～1的實(shí)數(shù)映射;β=P→D為P的關(guān)聯(lián)函數(shù)，表示從庫所P集合至命題集合的映射。

1．2模糊產(chǎn)生式規(guī)則

模糊產(chǎn)生式規(guī)則，即以模糊關(guān)系式表示的故障征兆和故障原因，是針對(duì)具有不確定性、帶有模糊性、不精確知識(shí)的一種常用的描述方法。其主要包括3種基本類型［9－11］:

式中p1，p2，……，pn，pz為模糊命題，μ為模糊規(guī)則的置信度(CF)。

應(yīng)用模糊Petri網(wǎng)表示模糊產(chǎn)生式時(shí)，將規(guī)則的前提和結(jié)論都當(dāng)作Petri網(wǎng)中的庫所，上述3種類型產(chǎn)生式規(guī)則的模糊Petri網(wǎng)表示如圖1所示。

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

1．3模糊Petri網(wǎng)的推理算法

采用模糊Petri網(wǎng)進(jìn)行故障診斷的過程，就是采取適當(dāng)?shù)耐评硭惴▽?duì)模糊Petri網(wǎng)模型中的知識(shí)進(jìn)行推理，從而由故障現(xiàn)象推理出故障原因與結(jié)論。分析文獻(xiàn)［12］的算法可知，該算法在推理過程中，已發(fā)生的庫所會(huì)被刪除，若再有該庫所觸發(fā)變遷發(fā)生，則不能使用，這種算法并不能適用于所有的情況，因此結(jié)合文獻(xiàn)［13］采用基于圖形搜索的模糊Petri網(wǎng)正向推理算法。首先，假設(shè)模糊Petri網(wǎng)中ta為一變遷，pi，pj，pk為3個(gè)庫所，若pi∈I(ta)，并且pk∈O(ta)，則稱pk可以從pi立即可達(dá)。也就是說pi經(jīng)過1次變遷ta可到達(dá)的庫所。所有可以從pi立即可達(dá)的庫所組成的集合稱為pi的立即可達(dá)集，記為ISR(pi) ;若pk可以從pi立即可達(dá)，pj可以從pk立即可達(dá)，則稱pj可以從pi可達(dá)。也就是說pi經(jīng)過一系列變遷發(fā)生后到達(dá)的庫所都是pi的可達(dá)集。所有可以從pi可達(dá)的庫所組成的集合稱為pi的可達(dá)集，記為RS(pi) ; 若pi∈I(ta)，并且pj∈I(ta)，則稱庫所pi和pj是關(guān)于變遷ta的相鄰庫所。

若pi∈I(ta)，則pi稱為變遷ta的最近向后庫所，即變遷ta的輸入庫所為它的最近向后庫所。變遷ta的所有最近向后庫所組成的集合記為最近向后庫所集SNBP(ta)。

在建筑勞務(wù)市場中，企業(yè)如何維護(hù)自身的可持續(xù)發(fā)展，一直都是企業(yè)管理者們頭痛不已的問題。企業(yè)應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持從實(shí)際出發(fā)，實(shí)事求是的觀點(diǎn)，深入調(diào)查自身存在的問題，并解決這些問題，只有這樣才能促進(jìn)自身的可持續(xù)發(fā)展。以下將針對(duì)當(dāng)前建筑勞務(wù)企業(yè)發(fā)展中存在的主要問題展開詳細(xì)論述：

若pi∈I(ta)，則pi稱為變遷ta的最近向前庫所。同樣，變遷ta的所有最近向前庫所組成的集合記為最近向前庫所集SNFP(ta)。

若存在有向弧序列使得變遷ta的發(fā)生能夠到達(dá)pi，則稱pi為ta的向前庫所，所有ta向前庫所組成的集合記為SFP(ta)。

2　攤鋪機(jī)液壓調(diào)平系統(tǒng)故障與產(chǎn)生原因的模糊Petri網(wǎng)模型

通過實(shí)地考察和查閱相關(guān)文獻(xiàn)［14－15］，對(duì)于攤鋪機(jī)熨平板液壓調(diào)平系統(tǒng)來說，發(fā)生故障的類型以及發(fā)生的原因見表1。

表1　攤鋪機(jī)液壓調(diào)平系統(tǒng)故障(p15)及產(chǎn)生原因

根據(jù)攤鋪機(jī)液壓調(diào)平系統(tǒng)故障及故障發(fā)生原因，把故障診斷知識(shí)用模糊產(chǎn)生式規(guī)則表示出來就可以建立一個(gè)簡單的故障診斷知識(shí)庫。下面是形成的知識(shí)庫中相關(guān)的規(guī)則(以分流閥塊故障(p14)為例)，其中模糊產(chǎn)生式規(guī)則的可信度CF應(yīng)由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)給出:

1) IF p1THEN p11CF = 0．920; 2) IF p2THEN p11CF = 0．930; 3) IF p3THEN p11CF = 0．830; 4) IF p4THEN p12CF = 0．800; 5) IF p5THEN p12CF = 0．750; 6) IF p6THEN p12CF = 0．830; 7) IF p7THEN p13CF=0．750; 8) IF p8THEN p13CF = 0．850; 9) IF p9THEN p13CF = 0．900; 10) IF p10THEN p14CF = 0．920; 11) IF p11THEN p14CF = 0．800; 12) IF p12THEN p14CF = 0．850; 13) IF p13THEN p14CF=0．900; 14) IF p14THEN p15CF=0．910。

用模糊Petri網(wǎng)表示這些規(guī)則，如圖2所示。

圖2　分流閥塊故障診斷模糊Petri網(wǎng)模型

3　基于模糊Petri網(wǎng)的攤鋪機(jī)液壓調(diào)平系統(tǒng)故障診斷過程分析

由分流閥塊故障診斷的模糊Petri網(wǎng)模型可知，初始庫所為{ p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7，p8，p9，p10}，目標(biāo)庫所為{ p15}。診斷推理過程為改進(jìn)的模糊Petri網(wǎng)正向推理算法，推理并計(jì)算出導(dǎo)致目標(biāo)庫所的故障原因的可信度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障現(xiàn)象的診斷。具體推理步驟如下:

1)根據(jù)圖2建立各變遷的最近向后庫所集SNBP、最近向前庫所集SNFP和向前庫所集SFP，見表2。

表2　模糊Petri網(wǎng)攤鋪機(jī)液壓調(diào)平系統(tǒng)分流閥塊故障診斷模型SNBP、SNFP、SFP

3)已知攤鋪機(jī)液壓調(diào)平系統(tǒng)的故障現(xiàn)象為“分流閥塊故障”，輸入目標(biāo)庫所p15。

4) t1，輸入可信度為0．800，變遷t1發(fā)生，建立新的結(jié)點(diǎn)n(p11，α(p11) )，其中;α(p11) =α(p1) F(t1) = 0．736;把新結(jié)點(diǎn)移入，舊結(jié)點(diǎn)移除:沒有發(fā)生過的變遷集合為{ (p1，0．800)，(p11，0．736) } ;

5) t2，輸入可信度為0．800，變遷t2發(fā)生，建立新的結(jié)點(diǎn)n(p11，α(p11) )，其中α(p11) =α(p2) F(t2) = 0. 744;由于已有結(jié)點(diǎn)n(p11，0．736)，經(jīng)比較0．744＞0．736，則保留可信度高的值，沒有發(fā)生過的變遷集合{ (p1，0．800)，(p11，0．744) } ;

6) t3與t2過程相同，沒有發(fā)生過的變遷集合{ (p1，0．800)，(p11，0．744) } ;

7) t4，輸入可信度為0．800，變遷t4發(fā)生，建立新的結(jié)點(diǎn)n(p12，α(p12) )，其中α(p12) =α(p4) F(t4) = 0. 640;把新結(jié)點(diǎn)移入，舊結(jié)點(diǎn)移除:沒有發(fā)生過的變遷集合{ (p1，0．800)，(p11，0．744)，(p12，0．640) } ;

8) t5、t6過程與t4相同，這里假設(shè)t5、t6的計(jì)算結(jié)果α(p12)小于t4的計(jì)算結(jié)果α(p12)，保留可信度高的值。沒有發(fā)生過的變遷集合{ (p1，0．800)，(p11，0．744)，(p12，0．640) } ;

9) t7，輸入可信度為0．750，變遷t7發(fā)生，建立新結(jié)點(diǎn)n(p13，α(p12) )，其中α(p12) =α(p7) F(t7) = 0.563;把新結(jié)點(diǎn)移入，舊結(jié)點(diǎn)移除:沒發(fā)生過的變遷集合{ (p1，0．800)，(p11，0．744)，(p13，0．640)，(p12，0. 563) } ;

10) t8、t9過程與t7相同，這里假設(shè)t8、t9的計(jì)算結(jié)果α(p13)小于t7的計(jì)算結(jié)果α(p13)，保留可信度高的值)。沒有發(fā)生過的變遷集合{ (p1，0．800)，(p11，0．744)，(p12，0．640)，(p13，0．563) } ;

11) t10，輸入可信度為0．820，變遷t10發(fā)生，建立新的結(jié)點(diǎn)n(p14，α(p14) )，其中α(p14) =α(p10) F(t10) = 0．754;把新結(jié)點(diǎn)移入，舊結(jié)點(diǎn)移除:沒有發(fā)生過的變遷集合{ (p1，0．800)，(p11，0. 744)，(p12，0．640)，(p13，0．563)，(p14，0．754) } ;

12) t11、t12、t13過程與t10相同，假設(shè)t11、t12、t13的計(jì)算結(jié)果α(p14)＜t10的計(jì)算結(jié)果α(p14)，保留可信度高的值。沒發(fā)生過的變遷集合{ (p1，0．800)，(p11，0. 744)，(p12，0．640)，(p13，0. 563)，(p14，0. 754) } ;

13) t14，輸入可信度為0．790，變遷t14發(fā)生，建立新的結(jié)點(diǎn)n(p15，α(p15) )，其中α(p15) =α(p14)× F(t14) = 0．719;把新結(jié)點(diǎn)移入，舊結(jié)點(diǎn)移除:沒有發(fā)生過的變遷集合{ (p1，0．800)，(p11，0. 744)，(p12，0. 640)，(p13，0．563)，(p14，0．754)，(p15，0. 719) } ;

14)由于目標(biāo)庫所p15在沒有發(fā)生過的變遷集合中，且設(shè)定系統(tǒng)的閾值為0．6，可知p15= 0．718 9＞0. 600，并且目標(biāo)庫所的可信度為0．719，比較沒有發(fā)生過的變遷集合中各個(gè)庫所的可信度得出分流閥塊故障的原因?yàn)槊芊饧1。

4　　結(jié)語

1)采用模糊Petri網(wǎng)作為知識(shí)表示模型，表示模糊產(chǎn)生式規(guī)則，能很好地處理和表示模糊知識(shí)和模糊故障信息，使得系統(tǒng)知識(shí)的邏輯關(guān)系更加簡單、清晰; 2)可以直接利用模糊Petri網(wǎng)具有的同步并發(fā)特性對(duì)知識(shí)表示模型分層、分塊進(jìn)行推理，使得推理過程更加直觀，易于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn); 3)推理機(jī)首先根據(jù)用戶輸入的可信度將知識(shí)庫中的規(guī)則可信度按照一定的公式進(jìn)行計(jì)算，有利于減小用戶信息輸入量; 4)算法在推理過程中只考慮與目標(biāo)庫所相聯(lián)系的庫所及變遷，避免無關(guān)路徑推理，提高了推理效率; 5)推理過程將現(xiàn)場的實(shí)測數(shù)據(jù)與專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，使得分析診斷結(jié)果更加接近工程實(shí)際。

總之，利用模糊Petri網(wǎng)來建立工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)，可以提高故障診斷的速度與準(zhǔn)確性，是一種有效的故障檢測方法。

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(責(zé)任編輯:郭守真)

Fault Diagnosis of Hydraulic Leveling System of Paver Based on Fuzzy Petri Net

ZHANG Chao1，CHAO Pengjun2，ZHANG Jiexin1
(1．School of Construction Machinery，Chang'an University，Xi'an 710064，China; 2．Tianjin FAW TOYOTA Motor CO．，Ltd．，Tianjin 300457，China)

Abstract:In order to study the reason of hydraulic leveling system failure of the paver screed，based on the hydraulic leveling system of SP120 paver as the reasearch object，the fault diagnosis method based on fuzzy Petri net theory is put forward through the analysis of the failure forms and reasons of the system．The fuzzy Petri net is utilized to represent the knowledge of the hydraulic leveling system faults．In this paper，the diagnosis inference model is established and the fuzzy Petri net inference algorithm based on graph search is used for the inference and diagnosis of fault．The feasibilty of this algorithm is verified，so this method can be applied to the fault diagnosis of hydraulic system of construction machinery accurately and effectively．

Key words:fuzzy Petri net; fault diagnosis; inference model; paver; hydraulic leveling system

作者簡介:張超(1988—)，女，天津人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹圃爝^程故障診斷技術(shù)．

收稿日期:2014－12－03

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．01．015

文章編號(hào):1672－0032(2015) 01－0073－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):U415．52; TH137