基于因果分层拓扑网路模型的故障传播分析方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及机电设备故障分析技术领域，公开一种基于因果分层拓扑网路模型的故障传播分析方法及系统，以更精准地确定源故障节点在特定故障模式下实际的故障分层传播路径。方法包括：根据机电设备实际工作时信号在各纵向节点间的传播关系，将各纵向节点通过有向边进行连接形成拓扑网络，有向边包括横向因果边和纵向因果边，建立基于因果分层拓扑网络的故障传播模型；然后针对特定的故障模式，从底层元件所受的故障扰动出发，逐一计算各潜在有向边是否能将因故障节点的故障模式传播至果故障节点，基于因果分层拓扑网络的故障传播模型得出故障实际分层传播路径。故障实际分层传播路径。故障实际分层传播路径。

【技术实现步骤摘要】
基于因果分层拓扑网路模型的故障传播分析方法及系统


[0001]本专利技术涉及机电设备故障分析
，尤其涉及一种基于因果分层拓扑网路模型的故障传播分析方法及系统。

技术介绍

[0002]现代复杂机电设备中的功能、结构、层级关联关系复杂，一旦某处有故障发生，故障便会沿着功能结构网络进行横向扩散、纵向演化式的分层传播，最终造成大面积、严重故障的发生。
[0003]设备的使用人员主要关注设备层面发生故障后对功能、性能的影响，而设备的维修人员则主要关注设备发生故障的底层级原因，因此，需要清楚了解底层物理故障与设备功能、性能之间的关联关系(即机电设备故障分层传播规律)，对于机电设备的使用与维修保障具有重要价值。通过对机电设备故障传播进行研究,不仅可以明确故障分层逐级传播规律、特性等问题，还可以为故障预测和故障诊断奠定理论基础。
[0004]目前通常采用基于模型的方法来研究故障传播问题，故障传播模型可分为：基于元胞自动机、基于图论、基于拓扑网络这三大类。元胞自动机对大规模系统具有模拟能力，是一种空间、时间离散，有限状态的网格式动力学模型，但是该模型要求其所包含的所有底层对象都服从相同规律，对于机电设备来说通常包含大量不同类型的底层元件，很难保证所有元件都服从相同规律，因此基于元胞自动机的故障传播模型不适用于研究机电设备的故障传播规律。另外，基于元胞自动机的故障传播模型没有考虑元胞结构对于单元状态变化的影响，不适用于从设备整体角度研究故障传播问题。多信号流图、故障树、Petri网、贝叶斯网等基于图论的故障传播模型使用较简单，能形象、直观地描述故障传播路径，但是其在描述和分析复杂度高的研究对象时受限，难以适用于复杂度高的设备。当前对设备设计研究多采用分层的思想，分层建模能够清晰表示故障在机电设备各层级中的传播关系，虽然这些模型在对研究对象进行分层的基础上能够直观通过有向图的方式描述各层级内节点间的故障“横向传播”关系，但是不能通过有向图的方式直观描述各层级间节点间的故障“纵向传播”关系。
[0005]拓扑网络本质基本思想是将机电设备各部分抽象成节点，并用可表示机电设备各部分结构、功能关系的连线将各节点连接起来，通过节点及节点间的连线形成网络。拓扑网络模型在构建时通常以有向图网络的形式来表现，有向图的方向即代表机电设备各部分之间的信号传递方向，也代表各部分间故障的传播方向。通常机电设备发生故障的最根本原因都是最底层基本单元——元件发生故障并传播导致的，因此以机电设备元件为最基本单元来研究故障的传播规律与影响是有必要的。但由于设备底层元件的数量过于庞多，导致从实际设备映射到拓扑网络时复杂度极高、网络规模庞大、模型运行繁冗，给建模和验模带来较大困难。
[0006]复杂机电设备中的故障传播具有如下特点：1、故障可以通过功能、性能或信号等介质进行分层传播，从信号层面更能反映机电设备中故障的分层传播规律；2、根据故障的
传播结果可将故障传播分为故障信息传播和故障状态传播，根据故障的自身特性可将故障分层传播形式分为直接传播和演化传播；3、故障分层传播存在单线传播路径、多线传播路径、跳跃式传播路径和崩溃式传播路径等四种路径模式；4、故障分层传播存在较强的不确定性。考虑各种方法的优缺点，以及复杂机电设备中的故障传播特点，提出将拓扑网络与分层建模相结合的方法，将机电设备根据功能结构关系抽象成因果分层拓扑网络，并将网络各节点的故障模式与传播参数进行关联融合，构成基于因果分层拓扑网络的故障传播模型，提出机电设备在全局分层拓扑网络上的故障分层传播推理方法，实现机电设备中故障分层传播路径定量推理，为分析机电设备故障分层传播路径提供有效的技术方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的在于公开一种基于因果分层拓扑网路模型的故障传播分析方法及系统，以更精准地确定源故障节点在特定故障模式下实际的故障分层传播路径。
[0008]为达上述目的，本专利技术公开一种基于因果分层拓扑网路模型的故障传播分析方法，包括：
[0009]步骤S1、在对机电设备的功能结构进行分析的基础上，对机电设备进行纵向层级划分，并将各层级中所对应的设备实体抽象成各个节点，形成纵向节点集；
[0010]步骤S2、分析获得各纵向节点所对应的故障模式与影响，形成纵向节点故障模式集；
[0011]步骤S3、根据机电设备实际工作时信号在各纵向节点间的传播关系，将各纵向节点通过有向边进行连接形成拓扑网络，所述有向边包括横向因果边和纵向因果边，建立基于因果分层拓扑网络的故障传播模型；所述基于因果分层拓扑网络的故障传播模型以层次集、节点集、故障模式集和因果边集共同组成的四元组进行表示，且所述因果边集中的各因果边为连接具有潜在故障传播路径的两节点之间的有向边；
[0012]步骤S4、针对特定的故障模式，从底层元件所受的故障扰动出发，基于因故障节点的故障强度和故障传播能力、对应该故障强度的实际传播系数及果故障节点的容差能力逐一计算各潜在有向边是否能将因故障节点的故障模式传播至果故障节点，直至遍历完基于因果分层拓扑网络的所有节点，从而得出所述基于因果分层拓扑网络的故障传播模型中任一目标故障模式从各潜在传播路径中所筛选出的实际分层传播路径(换言之，即基于所述因果分层拓扑网络的故障传播模型得出故障实际分层传播路径)。
[0013]优选地，假设：针对特定的故障模式，因故障节点A的故障强度为ε
A
，该故障强度下节点A与果故障节点B之间的实际故障传播系数为RS
AB
，以及节点A的故障传播能力PC
A
；则果故障节点B的故障强度ε
B
可用如下公式来表示：
[0014]ε
B
＝ε
A
RS
AB
PC
A
[0015]若果故障节点B的故障强度超出自身的故障容差能力，则判断果故障节点B产生实际的故障传播；反之则判断故障未传播至果故障节点B。
[0016]优选地，节点的故障强度计算具体包括：
[0017]选取节点所对应的设备实体输出端的相关信号参数；
[0018]获取节点在设备理想条件工作下处于正常状态范围内的指标XT＝[XT
‑
,XT
+
]，其中XT
‑
为节点正常时节点状态表征参数的下限值，XT
+
为节点正常时节点状态表征参数的上
限值；
[0019]设备在实际工况工作时，获取节点的状态表征参数值XP，若则判断该节点发生故障；相对应的，该节点的故障强度是指，设备在实际工况工作时，该节点的实际节点状态表征参数值XP与节点正常指标XT之间的偏离度，可通过如下公式进行计算：
[0020][0021]为达上述目的，本专利技术还公开一种基于因果分层拓扑网路模型的故障传播分析系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法所对应的步骤。
[0022]本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于因果分层拓扑网路模型的故障传播分析方法，其特征在于，包括：步骤S1、在对机电设备的功能结构进行分析的基础上，对机电设备进行纵向层级划分，并将各层级中所对应的设备实体抽象成各个节点，形成纵向节点集；步骤S2、分析获得各纵向节点所对应的故障模式与影响，形成纵向节点故障模式集；步骤S3、根据机电设备实际工作时信号在各纵向节点间的传播关系，将各纵向节点通过有向边进行连接形成拓扑网络，所述有向边包括横向因果边和纵向因果边，建立基于因果分层拓扑网络的故障传播模型；所述基于因果分层拓扑网络的故障传播模型以层次集、节点集、故障模式集和因果边集共同组成的四元组进行表示，且所述因果边集中的各因果边为连接具有潜在故障传播路径的两节点之间的有向边；步骤S4、针对特定的故障模式，从底层元件所受的故障扰动出发，基于因故障节点的故障强度和故障传播能力、对应该故障强度的实际传播系数及果故障节点的容差能力逐一计算各潜在有向边是否能将因故障节点的故障模式传播至果故障节点，直至遍历完基于因果分层拓扑网络的所有节点，从而得出所述基于因果分层拓扑网络的故障传播模型中任一目标故障模式从各潜在传播路径中所筛选出的实际分层传播路径。2.根据权利要求1所述的基于因果分层拓扑网路模型的故障传播分析方法，其特征在于，所述四元组的层次集L＝{L1,L2,...,L
i
,...,L
n
}，其中L1为最底层，L
n
为最高层；节点集A＝{A1,A2,...,A
i
,...,A
n
}，其中A1到A
n
分别表示L1层级到L
n
层级中的节点集，A
i
为L
i
层中的节点集，到分别表示L
i
层中的第1个和第m个节点；故障模式集F＝{F1,F2,...,F
i
,...,F
n

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，吕克洪，李强，刘冠军，邱静，杨鹏，刘瑛，郭斯琳，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：