基于模糊Petri網(wǎng)的混凝土泵液壓系統(tǒng)故障診斷

張超 晁鵬軍++張接信

摘 要：為了研究混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)故障發(fā)生的原因，以混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)作為研究對象，通過分析該系統(tǒng)的故障形式及其產(chǎn)生原因，提出了基于模糊Petri網(wǎng)的對混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)的故障診斷方法，建立了相應(yīng)的模糊Petri網(wǎng)故障診斷推理模型，以混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)功能故障為診斷實(shí)例，結(jié)合AMESim液壓仿真曲線，驗(yàn)證了該方法應(yīng)用于診斷工程機(jī)械液壓系統(tǒng)故障的準(zhǔn)確性與有效性。

關(guān)鍵詞：Petri網(wǎng)；故障診斷；液壓系統(tǒng)；混凝土泵

中圖分類號：U415.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Fault Diagnosis of Hydraulic System of Concrete Pump Based on Fuzzy Petri Network

ZHANG Chao1， CHAO Pengjun2， ZHANG Jiexin1

（1. School of Construction Machinery， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China； 2. Tianjin FAW TOYOTA Motor Co. Ltd.， Tianjin 300457， China）

Abstract： The pumping hydraulic system of concrete pump was taken as an object to study the failure of the system. Diagnosis method based on fuzzy Petri network was proposed in terms of the analysis of failure modes and causes， and related diagnostic reasoning model was built. By taking functional failure as an example and combining with simulation curve produced by AMESim， the accuracy and effctiveness of the diagnosis method based on fuzzy Petri network was verified.

Key words： Petri network； fault diagnosis； hydraulic system； concrete pump

0 引 言

Petri網(wǎng)是由德國科學(xué)家Carl Adam Petri于1962年提出的，是一種有嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義并用網(wǎng)狀圖形表示系統(tǒng)模型的方法，它不僅能描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，又能模擬系統(tǒng)的運(yùn)行[1]。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，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[2]。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，對此類帶有不確定性、模糊知識的問題無法進(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)的故障診斷方法。該方法既能充分考慮到系統(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。近年來，模糊Petri網(wǎng)在故障診斷領(lǐng)域中的應(yīng)用研究取得了很大的進(jìn)展，文獻(xiàn)[3]把模糊Petri網(wǎng)模型應(yīng)用于電梯故障診斷中，實(shí)現(xiàn)了電梯故障診斷專家系統(tǒng)中知識表示和推理過程模型的集成和統(tǒng)一。文獻(xiàn)[4]把模糊Petri網(wǎng)應(yīng)用于飛機(jī)電力啟動(dòng)系統(tǒng)故障診斷中，討論了其故障診斷的模糊Petri網(wǎng)模型。然而，目前模糊Petri網(wǎng)在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)故障診斷的應(yīng)用研究還很少，為此，本文試圖將模糊Petri網(wǎng)應(yīng)用到工程機(jī)械液壓系統(tǒng)故障診斷中。

混凝土泵車技術(shù)含量高且價(jià)格昂貴，其故障診斷技術(shù)的研究對于促進(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。及時(shí)地進(jìn)行混凝土泵的泵送液壓系統(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。

1 基于模糊Petri網(wǎng)模型的知識描述

1.1 模糊Petri網(wǎng)的定義

通用的模糊Petri網(wǎng)定義為一個(gè)8元組[5]

FPN=（P，T，D，I，O，f，α，β）

式中： P=p1，p2，L，pn，是一個(gè)庫所的有限集合；T=t1，t2，L，tn，是一個(gè)變遷的有限集合；P∩T=；D={d1，d2，L，dn}，是一個(gè)命題的有限集合；I為P×T→{0，1}的輸入函數(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為T×P→{0，1}的輸出函數(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 即T→[0，1]為變遷的可信度函數(shù)，表示從變遷T至一個(gè)0到1之間的實(shí)數(shù)的映射；α為P→[0，1]時(shí)P的一個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)，從庫所至一個(gè)0到1之間的實(shí)數(shù)的映射；β為P→D時(shí)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)系式表示故障的征兆和故障的原因，是針對具有不確定性、帶有模糊性、不精確知識的一種常用的描述方法。其主要包括3種基本類型[67]。

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

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▽δ：齈etri網(wǎng)模型中的知識進(jìn)行推理，從而由故障現(xiàn)象推理出故障的原因與結(jié)論。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)過一次變遷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。下面給出幾個(gè)重要定義。

（1） 最近向后庫所：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）。

（2） 最近向前庫所：若pi∈O（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）。

（3） 向前庫所：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 混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)故障與產(chǎn)生原因的模糊Petri網(wǎng)模型

通過實(shí)地考察和查閱文獻(xiàn)[8]，可知混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)發(fā)生故障以及故障發(fā)生的原因如表1所示。

根據(jù)表1混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)故障形式及原因，用上述模糊產(chǎn)生式規(guī)則表示出故障診斷知識，就可以建立一個(gè)簡單的混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)的故障診斷知識庫。下面是形成的知識庫中相關(guān)的規(guī)則（由于文章篇幅有限，這里僅對泵送液壓系統(tǒng)功能故障（p16）進(jìn)行分析），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。

3 基于模糊Petri網(wǎng)的混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)故障診斷實(shí)例與驗(yàn)證

3.1 診斷實(shí)例過程分析

由泵送液壓系統(tǒng)功能故障診斷的模糊Petri網(wǎng)模型可知，初始庫所為{p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7，p8，p9，p10，p11，p12}，目標(biāo)庫所為{p17}。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)對故障現(xiàn)象的診斷[9]。具體推理步驟如下。

3.2 診斷結(jié)果仿真驗(yàn)證

根據(jù)多年收集的混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出樣本數(shù)據(jù)，采用AMESim仿真軟件建立泵送液壓系統(tǒng)的仿真模型，通過優(yōu)化使得模型的特性曲線與實(shí)際相接近。上述基于模糊Petri網(wǎng)的混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)故障診斷實(shí)例中，得出混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)功能故障的原因?yàn)椴逖b閥磨損，現(xiàn)對仿真模型中的插裝閥元件模型（圖3）進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)為混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)發(fā)生故障后的插裝閥的實(shí)際測試數(shù)據(jù)，兩種數(shù)據(jù)得出的仿真曲線對比如圖4所示。由圖4可知，插裝閥確實(shí)發(fā)生了故障。

圖3 泵送液壓系統(tǒng)插裝閥仿真模型

圖4 樣本數(shù)據(jù)仿真曲線與實(shí)測數(shù)據(jù)仿真曲線對比

4 結(jié) 語

由本文分析可知，模糊Petri網(wǎng)的推理算法與其他算法一樣，能夠得到一致的推理結(jié)果，且具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用模糊Petri網(wǎng)作為知識表示模型，表示模糊產(chǎn)生式規(guī)則，能夠很好地處理和表示模糊知識和模糊故障信息，使得系統(tǒng)知識的邏輯關(guān)系更加簡單、清晰；可以直接利用模糊Petri網(wǎng)具有的同步并發(fā)特性對知識表示模型分層、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)；推理機(jī)首先根據(jù)用戶輸入的可信度，將知識庫中的規(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；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；該方法的推理過程將現(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)果更加接近實(shí)際工程?？傊?，通過插裝閥磨損引起混凝土泵泵送液壓系統(tǒng)功能故障的實(shí)例驗(yàn)證，表明利用模糊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：王玉玲]endprint