基于故障树技术的远程故障诊断专家系统的研究
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摘要
随着新型装备在军事领域中的应用，为了保持武器的性能，投入在测试和故障诊断上的费用越来越高，基本贯穿了武器装备的整个生命周期。并且，随着第三代信息化武器装备的使用，传统的故障诊断已经不能满足现在的需要。远程故障诊断是目前的一种趋势。信号的采集、信号处理、数据的传输和故障诊断专家系统是远程故障诊断中需要解决的关键问题。故障诊断专家系统又是其中的重中之重。本文主要研究了基于故障树的远程故障诊断专家系统的构建和实现。
文章首先讲述了远程故障诊断专家系统的系统架构的构建和专家系统的知识，详细阐述了各个部分的组成和功能，分析了将故障树技术和专家系统融合的优点。然后，文章重点介绍了故障树分析法，对故障树分析法中的故障树的建立，故障树的预处理，故障树的定性分析和定量分析以及基于故障树定量分析的故障诊断法进行了详细的研究，并在利用二元决策图进行故障树定性分析时，提出了几条适用于决定底事件转换顺序的规则：
(1)尽量对故障树进行化简并在化简后，考虑底事件出现的次数。出现次数少的优先考虑，若出现的次数一样，那么底事件所在项的项数最短的优先考虑。
(2)对于函数的子函数，则考虑所有子函数中每个变量出现的次数总合，如果一个函数中有一个函数中没有，那么应该优先考虑。
(3)在转换子函数的过程中，利用第三条决定了先分解的变量后，若其中某个子函数不含有即将分解的分量，则先不分解，等下一次。
然后，文章研究了故障树技术和专家系统的融合技术。对于专家系统知识的获取，本文采用了故障树技术来获取专家系统所需的知识。建立所研究对象的故障树的过程就是一个对系统的故障模式进行详细分析的过程，同时获得了专家系统所需的知识库。故障树的建立是近年来故障树技术的一个研究重点，本文采用了基于元件小故障树的计算机辅助建树法。对于专家系统知识的表示，本文将规则表示法和框架表示法相结合来表示知识库中的知识，同时将故障树的概念和知识的框架相融合，将最小割集和规则相融合，将最小割集中的底事件和规则中的条件融合起来。对于推理机制，这是专家系统的重点。故障诊断中，如果没有一个好的推理规则，对所有可能导致故障的事件一一进行测试，会导致效率低并且消耗也大。本文将故障树中基于最小割集重要度的思想运用到专家系统的推理机制中，这样可以大大提高一次命中的概率，减少盲目测试的次数。
最后，本文以某航空设备中某重要的电子设备为例，详细的讲述了基于故障树的专家系统的建立和应用过程，并对结果进行了分析，分析结果证明了将故障
With the use of new equipment in the military field, in order to maintain the performance of them, the money invested in testing and fault diagnosis on them increased highly and throughout the entire life cycle. Moreover, with the use of weapons and equipment of the third generation of information, the traditional fault diagnosis has been unable to meet current demands. Remote Diagnosis is a trend. Signal acquisition, signal processing, Fault Diagnosis Expert System for data transmission and remote fault diagnosis are the key issues which need to be resolved. Fault Diagnosis Expert System is the top priority. This paper studies the design and implementation of fault diagnosis expert system. The expert system is related to knowledge acquisition, knowledge representation and reasoning mechanisms to achieve such issues.
The article starts by describing Remote Diagnosis Expert System Architecture and Construction of the expert system knowledge, explained in detail the various parts of the composition and functions of a fault tree analysis and expert system integration advantages. Then, the article highlights the fault tree analysis, fault tree analysis to the establishment of the FTA, Fault Tree pretreatment Fault tree analysis of the quantitative and qualitative analysis and quantitative analysis based on the fault tree for a detailed study of fault diagnosis, and the use of binary decision diagram fault tree analysis, the number of incidents in the end decided to change the rules of order .In this process of transformation, the order of the incident should follow these rules:
(1) After making the fault tree simple, taking into account the number of cases of late. The more frequency has less priority.
(2) Functions of the function, taking into account all the variables for each functions aggregate number. If a function is a function not available, then priority should be given.
(3) Functions in the conversion process, the decision to use the first third of the decomposition of variables, If one will not contain any Functions decomposition of the moment, I will not biodegradable, so the next.
Then, we study the fault tree expert system technology and the integration of them. For knowledge acquisition of expert system, we use a fault tree expert system technology to acquire the necessary knowledge. Establish the study of the fault tree is a process of detailed analysis of the system failure modes in the process and gain the
文章首先讲述了远程故障诊断专家系统的系统架构的构建和专家系统的知识，详细阐述了各个部分的组成和功能，分析了将故障树技术和专家系统融合的优点。然后，文章重点介绍了故障树分析法，对故障树分析法中的故障树的建立，故障树的预处理，故障树的定性分析和定量分析以及基于故障树定量分析的故障诊断法进行了详细的研究，并在利用二元决策图进行故障树定性分析时，提出了几条适用于决定底事件转换顺序的规则：
(1)尽量对故障树进行化简并在化简后，考虑底事件出现的次数。出现次数少的优先考虑，若出现的次数一样，那么底事件所在项的项数最短的优先考虑。
(2)对于函数的子函数，则考虑所有子函数中每个变量出现的次数总合，如果一个函数中有一个函数中没有，那么应该优先考虑。
(3)在转换子函数的过程中，利用第三条决定了先分解的变量后，若其中某个子函数不含有即将分解的分量，则先不分解，等下一次。
然后，文章研究了故障树技术和专家系统的融合技术。对于专家系统知识的获取，本文采用了故障树技术来获取专家系统所需的知识。建立所研究对象的故障树的过程就是一个对系统的故障模式进行详细分析的过程，同时获得了专家系统所需的知识库。故障树的建立是近年来故障树技术的一个研究重点，本文采用了基于元件小故障树的计算机辅助建树法。对于专家系统知识的表示，本文将规则表示法和框架表示法相结合来表示知识库中的知识，同时将故障树的概念和知识的框架相融合，将最小割集和规则相融合，将最小割集中的底事件和规则中的条件融合起来。对于推理机制，这是专家系统的重点。故障诊断中，如果没有一个好的推理规则，对所有可能导致故障的事件一一进行测试，会导致效率低并且消耗也大。本文将故障树中基于最小割集重要度的思想运用到专家系统的推理机制中，这样可以大大提高一次命中的概率，减少盲目测试的次数。
最后，本文以某航空设备中某重要的电子设备为例，详细的讲述了基于故障树的专家系统的建立和应用过程，并对结果进行了分析，分析结果证明了将故障
With the use of new equipment in the military field, in order to maintain the performance of them, the money invested in testing and fault diagnosis on them increased highly and throughout the entire life cycle. Moreover, with the use of weapons and equipment of the third generation of information, the traditional fault diagnosis has been unable to meet current demands. Remote Diagnosis is a trend. Signal acquisition, signal processing, Fault Diagnosis Expert System for data transmission and remote fault diagnosis are the key issues which need to be resolved. Fault Diagnosis Expert System is the top priority. This paper studies the design and implementation of fault diagnosis expert system. The expert system is related to knowledge acquisition, knowledge representation and reasoning mechanisms to achieve such issues.
The article starts by describing Remote Diagnosis Expert System Architecture and Construction of the expert system knowledge, explained in detail the various parts of the composition and functions of a fault tree analysis and expert system integration advantages. Then, the article highlights the fault tree analysis, fault tree analysis to the establishment of the FTA, Fault Tree pretreatment Fault tree analysis of the quantitative and qualitative analysis and quantitative analysis based on the fault tree for a detailed study of fault diagnosis, and the use of binary decision diagram fault tree analysis, the number of incidents in the end decided to change the rules of order .In this process of transformation, the order of the incident should follow these rules:
(1) After making the fault tree simple, taking into account the number of cases of late. The more frequency has less priority.
(2) Functions of the function, taking into account all the variables for each functions aggregate number. If a function is a function not available, then priority should be given.
(3) Functions in the conversion process, the decision to use the first third of the decomposition of variables, If one will not contain any Functions decomposition of the moment, I will not biodegradable, so the next.
Then, we study the fault tree expert system technology and the integration of them. For knowledge acquisition of expert system, we use a fault tree expert system technology to acquire the necessary knowledge. Establish the study of the fault tree is a process of detailed analysis of the system failure modes in the process and gain the
引文
[1] 何志泉著，“基于虚拟仪器的机车电子柜智能诊断系统研究”，硕士学文论文，西南交通大学，2006．4
[2] 朱丽风著，“小麦专家系统知识库的研究与构建”，硕士学位论文，太原理工大学，2006．4
[3] 曹现涛著，“无人作战飞机系统人机功效分析及人的可靠性研究”，硕士学位论文，西北工大学，2003．3
[4] 杨宇，刘晓萍，刘萍，吴宜灿著，“适用于动态概率安全评价的故障树逻辑简化方法”，《原子能科学技术》，2009年9月第39卷第5期
[5] 桑怀胜，王浩，郁文贤，“动态建造故障树的计算机实现”，《现代计算机》， 1999．1
[6] 闫晓娟著，“A320飞机GCU BIT功能的研究”，硕士学位论文，西北工业大学，2006．3
[7] 卢世荣，方逵，周经纶著，“BDD表示下的部件重要度的计算”，《系统工程与电子技术》，1999．3
[8] 郝爱国著“故障树定量计算算法研究及计算机实现”，硕士学位论文，河北工业大学，2006．1
[9] 蔡宗平，汤正平，闵海波著，“故障树分析法的专家系统在故障诊断中应用”，《微计算机信息》，2006年第22卷第8-1期
[10] 韩兆福，葛银茂，程江涛，王虹昙，刘兰允著，“故障树分析法在某型飞机火控系统故障诊断中的应用”，《中国测试技术》，2006年5月第32卷第3期
[11] 苏晓勤著，“故障树分析算法改进研究与实现”，硕士学位论文，河北工业大学，2005．1
[12] 周妍著，“故障树自动生成系统的研究与开发”，硕士学位论文，大连理工大学，2005．3
[13] 马善钊著，“故障诊断技术及其在某雷达上的应用”，硕士学位论文，国防科学技术大学，2005．11
[14] 朱大奇著，“航空电子设备故障诊断技术研究”，博士学位论文，南京航空航天大学，2002．5
[15] 吴纯全著，“核动力装置压力安全系统故障树的分析与研究”，硕士学位论文，哈尔滨工程大学，2004．3
[16] 黄飞著，“混凝土抗硫酸盐腐蚀专家系统的设计与实现以及系统集成”，硕士学位论文，武汉理工大学．2004．5
[17] Fussell, J.B. "A Formal Methodology for Fault Tree Construction. " Nuclear Science&engineering, 1973(52):421-432
[18] Taylor, J.R.. "An Algorithm For Fault-Tree Construction" . IEEE Transaction on reliability, 1982(31):137-146
[19] Powers,G.J., F.C.Thompkins, Jr.. "Fault Tree Synthesis for Chemical Process", AIChE J.,1974(20-2):367-387
[20] Lapp,S.A., Powers,G.J. "Computer-aided synthesis of fault trees" , IEEE Transaction On Reliability, 1977(4):2-13
[21] Shafaghi,A., Lees,E, Andow, P. "An illustrative example of fault tree synthesis based on control loop structure" . Reliability Engineering, 1984(8): 193-233
[22] Salem,S.L., G.E.Apostolakis and D.Okret, "A Compute-oriented Approach to Fault Tree Construction", EPRI Np-288, Power Research Institute, 1976
[23] Salem,S.L., G.E.Apostolakis and D.Okret, "A New Methodology for Computer-aided Construction of Fault Tree" , Annals of Nuclear Energy, 1977(4):417-421
[24] Wang,J.D., Liu, T.S., "Extended Tables for multistage Fault Tree Synthesis" , ASME-PUBUCATIONS-DE, 1993(55): 17-22
[25] Kelly, B.,Lees, F.. "The propagation of faults in process plants: l.modeling of fault propagation; 2.fault tree synthesis" . Reliability Engineering, 1986(16): 3-62
[26] Bossche,A. "Computer aided fault tree synthesis. Reliability Engineering and System Safety, 1991(32): 217-241
[27] Margaret S.Elliott. "Computer-Assisted Fault-Tree Construction Using A Knowledge-Based Approach. IEEE TRANSACTIONS ON RELIABILITY 1994(43): 112-120
[28] Camarda, P., Corsi, F., Trentadue, A. "An efficient simple algorithm for fault tree automatic synthesis from the reliability graph. IEEE transactions on Reliability, 1978 (27): 215-221
[29] 简志敏，胡东成，童诗白．“控制系统故障树自动生成的一种方法”．自动化学报，1997，(3)：314-319
[30] 马勇，许晓鸣，刘全忠．“基于单元输入输出模型控制系统故障树自动生成的一种方法”．上海交通大学学报，1999，(11)：1430-1434
[31] 李一鹏著，“机车故障诊断系统”，硕士学位论文，西北工业大学，2006-3
[32] 张超著，“基于BDD的动态故障树优化分析研究”，硕士学位论文，西北工业大学，2004．3
[33] 徐亨成，张建国著，“基于BDD技术下的故障树重要度分析”，《电子机械工程》，2003年第19卷第6期
[34] 谢振伟著，“基于规则的特装车辆故障诊断专家系统的研究”，硕士学位论文，哈尔滨工程大学，2006．1
[35] 胡增强著，“基于系统分解与合成的故障树生成系统的开发”，硕士学位论文，大连理工大学，2005．12
[36] 杨宇著，“计算机辅助软件故障树建模与分析研究”，硕士学位论文，合肥工业大学，2004．7
[37] 浴全佘著，“计算机辅助求解减速器故障树的最小割集”，《机械设计与研究》，1996年第二期
[38] 郭晓立著，“计算机辅助建树专家系统的改进研究”，硕士学位论文，清华大学，2004．5
[39] 杨健强著，“计算机辅助故障树分析方法研究与应用”，硕士学位大学，大连理工大学，2005．12
[40] 朱敏波，王世萍，韩芳明著，“计算机辅助故障树的建立和分析”，《计算机辅助工程》，1998．1
[41] 朱建军著，“基于元件故障模式的控制系统故障树的生成”，硕士学位论文，大连理工大学，2004．3
[42] 杨意著，“BDD 及其在电路故障监测与可靠度中的应用研究”，硕士学位论文，华南师范大学，2004．6
[43] 王慧，魏秀玲著，“MG 系列采煤机牵引部主油泵的故障树分析”，《辽宁工程技术大学学报(自然科学版)》，2000．10
[44] 冯润明，黄柯棣著，“电路板通用自动测试系统设计及技术研究”，博士学位论文，国防科学技术大学，2002．10
[45] 季会媛著，“动态故障树分析方法研究”，硕士学位论文，国防科学技术大学，2002．1
[46] 初淑香著，“区域供水监控与故障诊断系统研究”，硕士学位论文，长春理工大学，2005．12
[47] 何均著，“某型装备智能化综合检测仪的研制”，硕士学位论文，南京航空抗天大学，2005-3
[48] R.Remenyte,J.D.Abdrews "A simple component connection approach for fault tree conversion to binary decision diagram", IEEE,2006.6
[49] Roslyn M.Sinnamon,John D.Andrews "Fault tree analysis and binary decision diagrams", IEEE, 1996.
[50] Ragavan Manian,Joanne Bechta Dugan"Combining Various Solution Teehiniques for Dynamic Fault Analysis of Computer Systems", IEEE, 1999
[2] 朱丽风著，“小麦专家系统知识库的研究与构建”，硕士学位论文，太原理工大学，2006．4
[3] 曹现涛著，“无人作战飞机系统人机功效分析及人的可靠性研究”，硕士学位论文，西北工大学，2003．3
[4] 杨宇，刘晓萍，刘萍，吴宜灿著，“适用于动态概率安全评价的故障树逻辑简化方法”，《原子能科学技术》，2009年9月第39卷第5期
[5] 桑怀胜，王浩，郁文贤，“动态建造故障树的计算机实现”，《现代计算机》， 1999．1
[6] 闫晓娟著，“A320飞机GCU BIT功能的研究”，硕士学位论文，西北工业大学，2006．3
[7] 卢世荣，方逵，周经纶著，“BDD表示下的部件重要度的计算”，《系统工程与电子技术》，1999．3
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[10] 韩兆福，葛银茂，程江涛，王虹昙，刘兰允著，“故障树分析法在某型飞机火控系统故障诊断中的应用”，《中国测试技术》，2006年5月第32卷第3期
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[14] 朱大奇著，“航空电子设备故障诊断技术研究”，博士学位论文，南京航空航天大学，2002．5
[15] 吴纯全著，“核动力装置压力安全系统故障树的分析与研究”，硕士学位论文，哈尔滨工程大学，2004．3
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[18] Taylor, J.R.. "An Algorithm For Fault-Tree Construction" . IEEE Transaction on reliability, 1982(31):137-146
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[25] Kelly, B.,Lees, F.. "The propagation of faults in process plants: l.modeling of fault propagation; 2.fault tree synthesis" . Reliability Engineering, 1986(16): 3-62
[26] Bossche,A. "Computer aided fault tree synthesis. Reliability Engineering and System Safety, 1991(32): 217-241
[27] Margaret S.Elliott. "Computer-Assisted Fault-Tree Construction Using A Knowledge-Based Approach. IEEE TRANSACTIONS ON RELIABILITY 1994(43): 112-120
[28] Camarda, P., Corsi, F., Trentadue, A. "An efficient simple algorithm for fault tree automatic synthesis from the reliability graph. IEEE transactions on Reliability, 1978 (27): 215-221
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[30] 马勇，许晓鸣，刘全忠．“基于单元输入输出模型控制系统故障树自动生成的一种方法”．上海交通大学学报，1999，(11)：1430-1434
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[32] 张超著，“基于BDD的动态故障树优化分析研究”，硕士学位论文，西北工业大学，2004．3
[33] 徐亨成，张建国著，“基于BDD技术下的故障树重要度分析”，《电子机械工程》，2003年第19卷第6期
[34] 谢振伟著，“基于规则的特装车辆故障诊断专家系统的研究”，硕士学位论文，哈尔滨工程大学，2006．1
[35] 胡增强著，“基于系统分解与合成的故障树生成系统的开发”，硕士学位论文，大连理工大学，2005．12
[36] 杨宇著，“计算机辅助软件故障树建模与分析研究”，硕士学位论文，合肥工业大学，2004．7
[37] 浴全佘著，“计算机辅助求解减速器故障树的最小割集”，《机械设计与研究》，1996年第二期
[38] 郭晓立著，“计算机辅助建树专家系统的改进研究”，硕士学位论文，清华大学，2004．5
[39] 杨健强著，“计算机辅助故障树分析方法研究与应用”，硕士学位大学，大连理工大学，2005．12
[40] 朱敏波，王世萍，韩芳明著，“计算机辅助故障树的建立和分析”，《计算机辅助工程》，1998．1
[41] 朱建军著，“基于元件故障模式的控制系统故障树的生成”，硕士学位论文，大连理工大学，2004．3
[42] 杨意著，“BDD 及其在电路故障监测与可靠度中的应用研究”，硕士学位论文，华南师范大学，2004．6
[43] 王慧，魏秀玲著，“MG 系列采煤机牵引部主油泵的故障树分析”，《辽宁工程技术大学学报(自然科学版)》，2000．10
[44] 冯润明，黄柯棣著，“电路板通用自动测试系统设计及技术研究”，博士学位论文，国防科学技术大学，2002．10
[45] 季会媛著，“动态故障树分析方法研究”，硕士学位论文，国防科学技术大学，2002．1
[46] 初淑香著，“区域供水监控与故障诊断系统研究”，硕士学位论文，长春理工大学，2005．12
[47] 何均著，“某型装备智能化综合检测仪的研制”，硕士学位论文，南京航空抗天大学，2005-3
[48] R.Remenyte,J.D.Abdrews "A simple component connection approach for fault tree conversion to binary decision diagram", IEEE,2006.6
[49] Roslyn M.Sinnamon,John D.Andrews "Fault tree analysis and binary decision diagrams", IEEE, 1996.
[50] Ragavan Manian,Joanne Bechta Dugan"Combining Various Solution Teehiniques for Dynamic Fault Analysis of Computer Systems", IEEE, 1999