大型設(shè)備運轉(zhuǎn)的不確定性分析

王凱　秦曉光　馬龍敏

摘 要：在大型復(fù)雜設(shè)備運轉(zhuǎn)可靠性分析中，多種因素的制約和影響導(dǎo)致多傳感器系統(tǒng)收集到的信息具有很大的不確定性，本文對不確定性產(chǎn)生的原因、不確定性信息的描述及不確定性推理方法進行梳理總結(jié)，為分析其可靠性及故障診斷提供依據(jù)。

一、不確定性產(chǎn)生的原因

在通常情況下，大型設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中的不確定性主要表現(xiàn)在對象的復(fù)雜性導(dǎo)致的不確定性、工作環(huán)境導(dǎo)致的不確定性、多傳感器系統(tǒng)導(dǎo)致的不確定性、故障現(xiàn)象和故障原因?qū)?yīng)關(guān)系導(dǎo)致的不確定性以及先驗知識的差異導(dǎo)致的不確定性。（1）對象的復(fù)雜性導(dǎo)致的不確定性

現(xiàn)代大型不斷朝著精密化、集成化、自動化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，大型設(shè)備往往由機、電、氣、液等子系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)之間相互耦合、相互作用，使得設(shè)備的結(jié)構(gòu)、功能以及工作原理變得異常復(fù)雜，運用傳統(tǒng)的定性或定量方法難以對其建立完備、精確的解析模型，正是這種復(fù)雜性導(dǎo)致診斷對象本身具有較大的不確定性。

（2）工作環(huán)境導(dǎo)致的不確定性

大型設(shè)備的運行狀況時刻受到工作環(huán)境的影響，工作環(huán)境的不確定性直接導(dǎo)致設(shè)備的故障類型各異，突發(fā)故障、組合故障頻發(fā)。而且有些環(huán)境十分惡劣，溫差、載荷、疲勞等都會對設(shè)備帶來不同程度的損傷，使得設(shè)備運行極不穩(wěn)定，從而表現(xiàn)出的狀態(tài)信息具有不確定性。

（3）多傳感器監(jiān)測系統(tǒng)導(dǎo)致的不確定性

在大型設(shè)備故障診斷過程中，為了能夠準確反映設(shè)備的運行狀態(tài)，常常在不同測點安裝大量傳感器以獲取更多的狀態(tài)信息，造成監(jiān)測過程中傳感器數(shù)量增加;而對于同一狀態(tài)變量，為了能全面收集信息，往往采用不同類型的傳感器對同一變量進行反復(fù)測量，造成了傳感器類型的增多。由大量傳感器采集到的數(shù)據(jù)存在一定的不確定性，甚至相互沖突。

（4）故障現(xiàn)象和故障原因?qū)?yīng)關(guān)系導(dǎo)致的不確定性

在大型設(shè)備運行過程中，故障現(xiàn)象和故障原因之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系，故障診斷的目的就是根據(jù)這種對應(yīng)關(guān)系進行演繹推理得出診斷結(jié)論。但是對于復(fù)雜設(shè)備而言，故障現(xiàn)象和故障原因之間的對應(yīng)關(guān)系十分復(fù)雜。任何一個部件工作異常，通過部件之間的相互影響和傳遞都會造成其它故障的發(fā)生，這種情況下很難實現(xiàn)由故障現(xiàn)象到故障原因的定位。有時表現(xiàn)出的某一故障現(xiàn)象，有可能正處于某一故障狀態(tài)向另一故障狀態(tài)的過渡，同樣很難判斷出真正導(dǎo)致故障發(fā)生的原因。一個故障可能是多種因素綜合作用的結(jié)果，即表現(xiàn)為故障現(xiàn)象和故障原因?qū)?yīng)關(guān)系的復(fù)雜性而導(dǎo)致不確定性。

（5）經(jīng)驗知識的差異導(dǎo)致的不確定性

對于復(fù)雜大型設(shè)備的故障診斷，領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗往往起到重要的作用。但由于設(shè)備的復(fù)雜性、故障的多樣性以及工作環(huán)境的差異性等因素的影響，專家獲得的故障信息往往是不精確的，信息量也有限，這就造成專家的判斷具有一定的差異。不同專家對同一故障可能會產(chǎn)生不同的認識偏差，對于設(shè)備整體運行狀態(tài)因認識和經(jīng)驗不同，也會產(chǎn)生不同的診斷偏好，從而導(dǎo)致對于同一個診斷對象，各領(lǐng)域?qū)＜业脑\斷結(jié)論存在較大的差異，即表現(xiàn)為經(jīng)驗知識的差異導(dǎo)致的不確定性。

二、不確定性信息的描述

在不確定性推理中，需要解決不確定性的表示、不確定性的計算、不確定性的語義等問題。將不確定性問題用確定的數(shù)學(xué)公式表示出來，是不確定性推理的基礎(chǔ)。

（1）表示問題

表示問題是指用什么方法描述信息的不確定性，這是解決不確定性推理的第一步。通常有數(shù)值表示和非數(shù)值表示，概率屬于數(shù)值表示，“很可能”則屬于非數(shù)值表示。表示問題決定了采用什么方法描述、表達不確定性，問題表達不了，或表達不清晰、不明確、不完整就不可能進行推理或難以得出合理的推理結(jié)果。

（2）計算問題

計算問題是指不確定性的傳播和更新，即獲得新信息的過程。例如：已知證據(jù) A 的確定性度量為 P（A），規(guī)則 A→B，其可信度度量為 P（B | A），如何第計算結(jié)論的可信度度量 P（B）;從一個規(guī)則得到證據(jù) A 的可信度度量 P1（A），從另一個規(guī)則得到 A 的另一個可信度度量 P2（A），如何計算兩個規(guī)則合成后的綜合可信度度量 P（A）;如何由兩個證據(jù) A1和 A2 的可信度度量 P（A1）和 P（A2），計算“與”、“或”等邏輯計算結(jié)果的可信度度量 P（A1∧A2）和 P（A1∨A2）等。

三、不確定性推理的常用方法

不確定性推理是建立在不確定性信息基礎(chǔ)上，通過一定的推理方法得到存在一定程度不確定性又近似合理的結(jié)論的過程。這一過程要求減小不確定性。不確定性推理可以分為符號推理和數(shù)值推理。其中，符號推理的特點是推理過程中信息損失較少，但計算量較大，如認可理論;數(shù)值推理的特點是推理過程易于實現(xiàn)，但有一定的信息損失，如貝葉斯推理、證據(jù)推理等。目前，數(shù)值推理應(yīng)用更為普遍。

收集到的信息常常具有不確定性，如何利用這些不確定性信息進行推理以獲得較為確定性的結(jié)論，為診斷和決策提供依據(jù)，是故障診斷亟待解決的問題。在工程領(lǐng)域常用的不確定性推理方法主要有：

（1）基于故障樹的推理方法

美國的 Rasmussen 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首次對現(xiàn)有大型核電站的事故分析使用故障樹方法提出完整的分析報告。故障樹推理是一種定性的不確定性推理方法，在推理時先指定系統(tǒng)中一個不希望發(fā)生的故障，然后在一定的環(huán)境和工作條件下對系統(tǒng)進行分析，找出導(dǎo)致不希望事件發(fā)生的確定原因。故障樹本身就是一些故障的各種并聯(lián)和順序組合的圖示模型，這些故障將導(dǎo)致預(yù)先設(shè)定的不希望事件的發(fā)生，它們可能是與元件故障、人為失誤以及能導(dǎo)致不希望事件發(fā)生的其它任何有關(guān)事件相聯(lián)系的事件。故障樹推理就是尋找導(dǎo)致不希望事件發(fā)生的基本事件的過程。

（2）基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的推理方法

20 世紀 80 年代，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)成功應(yīng)用于專家系統(tǒng)，成為表示不確定性專家知識和推理的一種流行方法?；谪惾~斯方法的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種適應(yīng)性很廣的手段和工具，具有堅實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。在綜合先驗信息和數(shù)據(jù)樣本信息的前提下，可以避免只使用先驗信息可能帶來的主觀偏見。雖然很多貝葉斯網(wǎng)絡(luò)涉及的學(xué)習(xí)問題極為復(fù)雜，但由于已經(jīng)有了一些成熟的近似解法，加上一些限制后計算大大簡化，很多問題可以利用近似解法求解。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理方法的不確定性表示基本上保持了概率的表示方式，可信度計算也以概率方法計算。只是在實際使用中，各具體系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用背景的需要采用各種各樣的近似計算方法，其推理過程稱為概率推理。