楊大光，常 波

（海軍航空兵學(xué)院，遼寧葫蘆島125001）

模糊故障Petri網(wǎng)在飛機(jī)電源系統(tǒng)故障診斷中研究

楊大光，常 波

（海軍航空兵學(xué)院，遼寧葫蘆島125001）

針對飛機(jī)電源故障診斷專家系統(tǒng)中存在的知識(shí)表示復(fù)雜、不確定性等問題，采用一種基于模糊故障Petri網(wǎng)模型來進(jìn)行知識(shí)表示，同時(shí)提出一種正向推理和反向推理相結(jié)合的推理算法，該推理算法先用正向推理從故障原因出發(fā)，正向查找故障原因?qū)е碌墓收犀F(xiàn)象，然后再針對故障現(xiàn)象進(jìn)行反向推理查找產(chǎn)生此故障的原因，驗(yàn)證故障診斷的真實(shí)度。以飛機(jī)電源系統(tǒng)中典型故障現(xiàn)象為例，建立故障診斷模型，采用正反結(jié)合推理算法加以應(yīng)用驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明該算法對飛機(jī)電源系統(tǒng)故障診斷準(zhǔn)確，可操作性強(qiáng)。

飛機(jī)電源；故障診斷；模糊故障Petri網(wǎng)；專家系統(tǒng)

隨著飛機(jī)綜合化和自動(dòng)化程度不斷提高，大量先進(jìn)的機(jī)載用電設(shè)備裝備在飛機(jī)上，而這些用電設(shè)備完全依靠電力工作，這就對飛機(jī)電源系統(tǒng)的可靠性、安全性和可維修性提出了很高的要求[1]。若飛機(jī)電源系統(tǒng)中的故障不及時(shí)準(zhǔn)確地診斷并排除，會(huì)引起連鎖反應(yīng)使其他系統(tǒng)的工作狀態(tài)發(fā)生改變，嚴(yán)重危及飛行安全。

在飛機(jī)電源系統(tǒng)中，由于其本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障較為隱蔽，各種傳統(tǒng)的故障診斷方法不能滿足其故障診斷的需要[2]。隨著專家系統(tǒng)技術(shù)的成熟，其廣泛應(yīng)用于飛機(jī)電源系統(tǒng)的故障診斷中。而在專家系統(tǒng)故障診斷和推理過程中，往往存在許多不確定性，為了解決這一問題，何新貴[3]提出模糊Petri網(wǎng)的建模方法，將傳統(tǒng)的Petri網(wǎng)與模糊技術(shù)相結(jié)合。王修巖[5]等采用故障Petri網(wǎng)來構(gòu)建專家系統(tǒng)的知識(shí)庫，該方法在故障事件因果傳播關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)故障Petri網(wǎng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行機(jī)制來構(gòu)造推理機(jī)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)交流發(fā)電機(jī)專家系統(tǒng)的故障推理和診斷，但這種方法很難根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的飛機(jī)電源系統(tǒng)故障進(jìn)行反向推理尋找故障原因。本文針對模糊Petri網(wǎng)和故障Petri網(wǎng)在故障傳播、診斷和推理過程中的不足，將故障Petri網(wǎng)和模糊Petri網(wǎng)相結(jié)合，采用模糊故障Petri網(wǎng)來構(gòu)建專家系統(tǒng)的知識(shí)庫、產(chǎn)生式規(guī)則和推理算法，從而實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)電源系統(tǒng)的故障診斷。

1 基于模糊故障Petri網(wǎng)的知識(shí)表達(dá)方法

1.1 模糊故障Petri定義

定義1模糊故障Petri網(wǎng)是一個(gè)8元組（P，T，D，F(xiàn)，W，λ，Ts，M）0，其中：P=｛p1，p2，…，pn｝為庫所有限集合；T=｛t1，t2，…，tn｝為變遷有限集合；D=｛d1，d2，…，dn｝為命題有限集合，P∩T∩D=Φ，P＝D；F?（P×T） U（T×P）為庫所和變遷之間的輸入輸出弧的有限集合；W：F∈（0，1]為輸入輸出弧上的權(quán)值，其中WI為變遷輸入弧上的權(quán)值，表示庫所對變遷的支持度，WO為變遷輸出弧上的權(quán)值，表示變遷對庫所的支持度；λ：T∈（0，1]為變遷激活的閾值，當(dāng)庫所對變遷的置信度大于或等于該閾值（即滿足WI×m（P）≥λ）時(shí)，變遷才有可能被激活；Ts為已經(jīng)激活的變遷有限集合，初始時(shí)該集合為空，該集合標(biāo)識(shí)故障的傳播路徑，同時(shí)防止變遷的反復(fù)發(fā)生（即滿足t?Ts，Ts＝Ts+ti｛｝）；為系統(tǒng)的初始置信度，表示系統(tǒng)的初始狀態(tài)，其中m（p）表示庫所對于命題成立的置信度。

1.2 復(fù)合模糊產(chǎn)生式規(guī)則的模糊故障Petri網(wǎng)表示

復(fù)合模糊產(chǎn)生式規(guī)則是在模糊產(chǎn)生式規(guī)則中的前提和結(jié)論部分包含“AND”或“OR”等運(yùn)算符。采用MYCIN系統(tǒng)[6]中基于置信度的方法，主要思想是模糊命題合取式的真值取各子式真值的最小值，模糊命題析取式的真值取各子式真值的最大值。復(fù)合模糊產(chǎn)生式規(guī)則主要有以下類型：

類型1：IF d1and d2and…and diTHEN dk.該類型的模糊故障Petri網(wǎng)表示和激活規(guī)則如圖1所示。變遷激活需滿足t?Ts和min（m1×w1，m2×w2，…，mi×w）i且?p∈=｛p1，p2，…，pi｝，變遷ti激活后，Ts=Ts+｛ti｝并且｝，其中F

圖1 類型1的模糊故障Petri網(wǎng)表示

類型2：IF dkTHEN d1and…and di.該類型的模糊故障Petri網(wǎng)表示和激活規(guī)則如圖2所示。變遷激活需滿足WI×m（P）≥λ和t?Ts，變遷ti激活后Ts=Ts+ti｛｝，并且

圖2 類型2的模糊故障Petri網(wǎng)表示

類型3：IF d1or d2or…or diTHEN λidk.該類型的模糊故障Petri網(wǎng)表示和激活規(guī)則如圖3所示。變遷激活需滿足WI×m（P）≥λ和t?Ts，變遷ti激活后，Ts=Ts+ti｛｝并且

圖3 類型3的模糊故障Petri網(wǎng)表示

類型4：IF d1THEN d2.該類型的模糊故障Petri網(wǎng)表示和激活規(guī)則如圖4所示。變遷激活需滿足WI×m（P）≥λ和t?Ts，變遷ti激活后，Ts=Ts+ti｛｝并且

圖4 類型4的模糊故障Petri網(wǎng)表示

2 故障診斷推理算法

故障診斷推理算法是專家系統(tǒng)的核心，常用的推理算法有正向推理和反向推理。正向推理是根據(jù)已知故障原因推導(dǎo)可能產(chǎn)生的故障現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的并行推理能力，并能在推理后計(jì)算出全部的值，但在推理時(shí)具有盲目性。反向推理是根據(jù)已經(jīng)產(chǎn)生的故障現(xiàn)象來推導(dǎo)故障原因，尋找故障源，具有較高的準(zhǔn)確率。對比兩種推理算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用正反相結(jié)合的推理算法，先用正向推理從故障原因出發(fā)，正向查找故障原因?qū)е碌墓收犀F(xiàn)象，然后再針對故障現(xiàn)象進(jìn)行反向推理查找產(chǎn)生此故障的原因，驗(yàn)證故障的真實(shí)度。若兩者結(jié)論吻合，則診斷有效，若不吻合，則需要修改庫所和變遷的置信度，閾值和權(quán)值，不斷調(diào)整直到兩者吻合。正向推理算法和反向推理算法的流程如圖5所示。

圖5 模糊故障Petri網(wǎng)的推理算法流程

3 飛機(jī)電源系統(tǒng)故障診斷典型實(shí)例應(yīng)用

本文研究的是某型飛機(jī)變速恒頻的交流電源系統(tǒng)[4]，采用四發(fā)電機(jī)四匯流條相并聯(lián)的方式，當(dāng)一臺(tái)主發(fā)電機(jī)通道發(fā)生故障時(shí)，斷路器切斷該發(fā)電機(jī)通道，原來由該發(fā)電機(jī)通道供電的負(fù)載由其他正常發(fā)電機(jī)通道供電。當(dāng)兩臺(tái)或三臺(tái)主發(fā)電機(jī)通道故障時(shí)，對應(yīng)的斷路器切斷相應(yīng)的發(fā)電機(jī)通道，由正常工作的主發(fā)電機(jī)通道向整個(gè)系統(tǒng)用電負(fù)載供電。兩個(gè)蓄電池為不間斷供電的負(fù)載提供應(yīng)急直流電。對于變速恒頻的交流電源系統(tǒng)來說，故障現(xiàn)象主要有五大類，分別是過壓、欠壓、過頻、欠頻、勵(lì)磁電流過大。由于引起“勵(lì)磁電流過大”故障的原因很多，這些原因和故障之間又相互影響，因此故障診斷十分復(fù)雜。本文以“勵(lì)磁電流過大”故障現(xiàn)象為例，應(yīng)用模糊故障Petri網(wǎng)來對飛機(jī)電源系統(tǒng)故障進(jìn)行推理和診斷。

首先建立飛機(jī)電源系統(tǒng)“勵(lì)磁電流過大”故障的模糊故障Petri網(wǎng)模型，如圖6所示。其中庫所的含義、初始置信度以及變遷的含義、初始權(quán)值和閾值如表1所列。

圖6 飛機(jī)電源系統(tǒng)“勵(lì)磁電流過大”故障的模糊故障Petri網(wǎng)模型

Step1：由圖6可知，t12屬于類型4的關(guān)系，由變遷激活需滿足WI×m（P）≥λ和t?Ts條件可知，t12：WI12×m（p12）=0.80×0.65=0.52＞0.51（λ12=0.51）且t12?Ts，故t12有激活權(quán)，得到

Step2：由圖1可知，t10與t11關(guān)系屬于類型3的關(guān)系，t10：WI10×m（p10）=0.85×0.75=0.64＞0.60（λ10=0.60）且t10?Ts，故t10有激活權(quán)；

t11：WI11×m（p11）=0.86×0.78=0.67＞0.68（λ11=0.65）且t11?Ts，故t11有激活權(quán)，得到

t13與t14關(guān)系屬于類型3的關(guān)系，由變遷激活需滿足WI×m（P）≥λ和t?Ts條件可知，t13：WI13×m（p13）=0.85×0.57=0.48＜0.60（λ13=0.60），故t13沒有激活權(quán)；t14有激活權(quán)，得到

同理t15沒有激活權(quán)，故t16有激活權(quán)，得到

m（p）9=0.60，Ts=｛t12，t10，t14，t16｝

t4、t5、t6關(guān)系也屬于類型3的關(guān)系，由變遷激活條件可知，t4沒有激活權(quán)，t5有激活權(quán)，t6有激活權(quán)，得到

m（p）1=0.88，Ts=｛t12，t10，t14，t16，t5｝

t7、t8、t9關(guān)系也屬于類型3的關(guān)系，由變遷激活條件可知，t7有激活權(quán)，t8有激活權(quán)，t9沒有激活權(quán)，得到

m（p）2=0.78，Ts=｛t12，t10，t14，t16，t5，t7｝

Step3：t1、t2、t3關(guān)系也屬于類型3的關(guān)系，由變遷激活條件可知，t1有激活權(quán)，t2有激活權(quán)，t3沒有激活權(quán)，得到

m（p）0=0.93，Ts=｛t12，t10，t14，t16，t5，t7，t1｝

正向推理的結(jié)論是：p0的故障傳播路徑是P14→t14→p5→t5→p1→t1→p0，并且要防范t12，t10，t16，t7.

現(xiàn)假設(shè)已知“勵(lì)磁電流過大”故障現(xiàn)象p0，采用反向推理來尋找故障原因，推理過程如下：

Step1：由于p0故障現(xiàn)象已經(jīng)產(chǎn)生，故m（p0）=1.

Step2：t1、t2、t3關(guān)系屬于類型3的關(guān)系，計(jì)算可得p1，p2，p3的置信度：

Step3：由Step2可看到置信度最大的是p3，可能是故障原因，通過檢查，發(fā)現(xiàn)故障原因不在這里，且與正向推理的結(jié)論不符，需要調(diào)整表1中的初始置信度、權(quán)值和閾值。由于p3的置信度比實(shí)際的大，需要增大t3的輸入權(quán)值WI3和輸出權(quán)值WO3，現(xiàn)將其調(diào)整為WI3=0.82，WO3=0.79，此時(shí)m（p3）=0.88，取p1，p2，p3中置信度最大的p1繼續(xù)反向推理。

Step4：p1是由t4，t5，t6變遷而來，計(jì)算得出：

置信度最大的是p5.而p5是由t13，t14變遷而來，計(jì)算得出

由結(jié)果可看到置信度最大的是p13，可能是故障原因，通過檢查，發(fā)現(xiàn)故障原因不在這里，且與正向推理的結(jié)論不符，需要調(diào)整表1中的初始置信度、權(quán)值和閾值。由于p13的置信度比實(shí)際的大，需要增大t13的輸入權(quán)值WI13和輸出權(quán)值WO13，現(xiàn)將其調(diào)整為WI13=0.75，WO13=0.79，此時(shí)

取置信度最大的p14，則推理到終點(diǎn)，通過實(shí)際檢查，發(fā)現(xiàn)故障原因就在這里，推理結(jié)束。

反向推理的結(jié)論是：p0的故障來源于p14，與正向推理結(jié)論相符。同時(shí)其結(jié)論與文獻(xiàn)[4]中的故障原因相符。

4 結(jié)束語

本文針對模糊Petri網(wǎng)和故障Petri網(wǎng)在故障傳播、診斷和推理過程中的不足，采用一種基于模糊故障Petri網(wǎng)模型來進(jìn)行知識(shí)表示，同時(shí)采用正向和反向相結(jié)合推理算法，有效解決了飛機(jī)電源故障診斷專家系統(tǒng)中存在的知識(shí)表示復(fù)雜、不確定性等問題。最后對飛機(jī)交流電源系統(tǒng)中的“勵(lì)磁電流過大”故障實(shí)例進(jìn)行了診斷應(yīng)用，驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。

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圖5 不同拉線反力下的軸承端受力以及扭矩值變化圖

4 結(jié)束語

通過Pro/e建立實(shí)體模型，將文件導(dǎo)入ADAMS中，再添加約束和驅(qū)動(dòng)，在ADAMS中建立了仿真模型，獲得針頭運(yùn)動(dòng)的各種曲線及數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了聯(lián)合仿真的可行性。

從圖2可以得出機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)變加速快進(jìn)勻加速慢回的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式，滿足設(shè)備預(yù)定運(yùn)動(dòng)要求，并且運(yùn)動(dòng)過程中無死點(diǎn)。

從不同工況方面進(jìn)行變量實(shí)驗(yàn)得出，在拉線反力成比例增加時(shí)，軸承端受力以及所受扭矩值不僅在最大值上為等比例增加，并且受力曲線變化緩和，機(jī)構(gòu)可靠性優(yōu)良。

參考文獻(xiàn)：

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Abstract：The use of Pro/E to establish the simplified model of sewing machine pick line agencies，import ADAMS for dynamic simulation，the relationship between displacement，velocity and acceleration of the end thread take-up mechanism，obtained and analyzed under different thread end pull force of the force and torque change diagram，verify the mechanism of the rationality and reliability of design.All kinds of parameters and analysis results are obtained by dynamic analysis，which provide a theoretical basis for the design and improvement of the mechanism of the machine in the future.?

Key words：pick line agencies；ADAMS；dynamics

Research Method of Fault Diagnosis Based on Fuzzy Fault Petri Net for Aircraft Electrical Power System

YANG Da-guang，CHANG Bo
（Naval Aviation Academy，Huludao Liaoning 125001，China）

According to the complexity and uncertainty of expert system of aircraft electrical power fault diagnosis，the fuzzy fault petri net is proposed to knowledge representation，the combine algorithm of the forward reasoning and backward reasoning is given in this paper.Firstly，the combine algorithm with forward reasoning from the cause of this fault to find the phenomenon of the fault，and then backward reasoning from the phenomenon of the fault to find the cause of this fault，the truth is verified in fault diagnosis.The fault diagnosis model is established and the combine algorithm is verified by the example of the fault phenomenon of aircraft electrical power system. The results show that the method is accurate and feasible.

aircraft electrical power；fault diagnosis；fuzzy fault petri net；expert system

The Dynamics Research of a Sewing Oick-line Agencies Based on ADAMS

WANG Peng-cheng，YANG Bing，YANG Jing-jing，MO Yu-mei，QIN Xian-hong，LI Qiao
（Guangdong Polytechnic College，Zhaoqing Guangdong 526100，China）

TP182

A

1672-545X（2016）11-0018-05

2016-08-09

楊大光（1982-），男，遼寧葫蘆島人，講師，碩士，研究方向：飛機(jī)電源系統(tǒng)方面的故障診斷與狀態(tài)評估；常波（1974-），男，遼寧東港人，副教授，研究方向：飛機(jī)電源系統(tǒng)方面的故障診斷與狀態(tài)評估。