基于模糊Petri網的混凝土泵液壓系統故障診斷

張超 晁鵬軍++張接信

摘 要：為了研究混凝土泵泵送液壓系統故障發生的原因，以混凝土泵泵送液壓系統作為研究對象，通過分析該系統的故障形式及其產生原因，提出了基于模糊Petri網的對混凝土泵泵送液壓系統的故障診斷方法，建立了相應的模糊Petri網故障診斷推理模型，以混凝土泵泵送液壓系統功能故障為診斷實例，結合AMESim液壓仿真曲線，驗證了該方法應用于診斷工程機械液壓系統故障的準確性與有效性。

關鍵詞：Petri網；故障診斷；液壓系統；混凝土泵

中圖分類號：U415.5 文獻標志碼：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網是由德國科學家Carl Adam Petri于1962年提出的，是一種有嚴格數學定義并用網狀圖形表示系統模型的方法，它不僅能描述系統的結構，又能模擬系統的運行[1]。由于Petri網具有異步、并發的特性，故常用于描述系統的動態行為，目前已廣泛應用于計算機科學、網絡通訊、自動控制、柔性制造系統（FMS）等領域[2]。在實際的復雜系統里，影響因素往往復雜多變，使得故障診斷過程更加復雜艱難，具有很強的模糊性和不確定性，而Petri網只能處理精確知識，對此類帶有不確定性、模糊知識的問題無法進行準確的分析。為此，引入模糊數學中的理論，將模糊數學中的方法與Petri網相互融合，提出基于模糊Petri網的故障診斷方法。該方法既能充分考慮到系統故障的發生概率、發生程度和發生部位的模糊性，又極好地利用了Petri網推理問題嚴密、表達能力強的優點，是對大型復雜系統的可靠性與安全性進行分析推理的有效工具。近年來，模糊Petri網在故障診斷領域中的應用研究取得了很大的進展，文獻[3]把模糊Petri網模型應用于電梯故障診斷中，實現了電梯故障診斷專家系統中知識表示和推理過程模型的集成和統一。文獻[4]把模糊Petri網應用于飛機電力啟動系統故障診斷中，討論了其故障診斷的模糊Petri網模型。然而，目前模糊Petri網在工程機械液壓系統故障診斷的應用研究還很少，為此，本文試圖將模糊Petri網應用到工程機械液壓系統故障診斷中。

混凝土泵車技術含量高且價格昂貴，其故障診斷技術的研究對于促進基礎設施建設、加快國民經濟發展具有重要意義。及時地進行混凝土泵的泵送液壓系統故障診斷和維護工作，不僅可以大大減少系統的故障發生率，節約運行成本，還可以提高設備的運轉效率、可靠性和安全性。

1 基于模糊Petri網模型的知識描述

1.1 模糊Petri網的定義

通用的模糊Petri網定義為一個8元組[5]

FPN=（P，T，D，I，O，f，α，β）

式中： P=p1，p2，L，pn，是一個庫所的有限集合；T=t1，t2，L，tn，是一個變遷的有限集合；P∩T=；D={d1，d2，L，dn}，是一個命題的有限集合；I為P×T→{0，1}的輸入函數，表示從庫所到變遷的映射，若I（p，t）=1，則表示p與t之間有聯系，若I（p，t）=0，則表示p與t之間無聯系； O為T×P→{0，1}的輸出函數，表示從變遷到庫所的映射，若O（t，p）=1，則表示t與p之間有聯系，若O（t，p）=0，則表示t與p之間無聯系；f 即T→[0，1]為變遷的可信度函數，表示從變遷T至一個0到1之間的實數的映射；α為P→[0，1]時P的一個關聯函數，從庫所至一個0到1之間的實數的映射；β為P→D時P的關聯函數，表示從庫所P集合至命題集合的映射。

1.2 模糊產生式規則

模糊產生式規則，即以模糊關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為模糊規則的置信度。應用模糊Petri網表示模糊產生式時，將規則的前提和結論都當作Petri網中的庫所，上述3種類型產生式規則的模糊Petri網表示如圖1所示。endprint

圖1 模糊Petri網表示模糊產生式規則的模型

1.3 模糊Petri網的推理算法

采用模糊Petri網進行故障診斷的過程，就是采取適當的推理算法對模糊Petri網模型中的知識進行推理，從而由故障現象推理出故障的原因與結論。首先，假設模糊Petri網中ta為一變遷，pi，pj，pk為3個庫所，若pi∈I（ta），并且pk∈O（ta），則稱pk可以從pi立即可達。也就是說pi經過一次變遷ta可到達的庫所。所有可以從pi立即可達的庫所組成的集合稱為pi的立即可達集，記為ISR（pi）；若pk可以從pi立即可達，pj可以從pk立即可達，則稱pj可以從pi可達。也就是說pi經過一系列變遷發生后到達的庫所都是pi的可達集。所有可以從pi可達的庫所組成的集合稱為pi的可達集，記為RS（pi）；若pi∈I（ta），并且pj∈I（ta），則稱庫所pi和pj是關于變遷ta的相鄰庫所。下面給出幾個重要定義。

（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的發生能夠到達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故障與產生原因的模糊Petri網模型

通過實地考察和查閱文獻[8]，可知混凝土泵泵送液壓系統發生故障以及故障發生的原因如表1所示。

根據表1混凝土泵泵送液壓系統故障形式及原因，用上述模糊產生式規則表示出故障診斷知識，就可以建立一個簡單的混凝土泵泵送液壓系統的故障診斷知識庫。下面是形成的知識庫中相關的規則（由于文章篇幅有限，這里僅對泵送液壓系統功能故障（p16）進行分析），其中模糊產生式規則的可信度CF應由專家根據經驗總結給出。

3 基于模糊Petri網的混凝土泵泵送液壓系統故障診斷實例與驗證

3.1 診斷實例過程分析

由泵送液壓系統功能故障診斷的模糊Petri網模型可知，初始庫所為{p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7，p8，p9，p10，p11，p12}，目標庫所為{p17}。診斷推理過程為改進的模糊Petri網正向推理算法，推理并計算出導致目標庫所的故障原因的可信度，從而實現對故障現象的診斷[9]。具體推理步驟如下。

3.2 診斷結果仿真驗證

根據多年收集的混凝土泵泵送液壓系統的試驗數據整理出樣本數據，采用AMESim仿真軟件建立泵送液壓系統的仿真模型，通過優化使得模型的特性曲線與實際相接近。上述基于模糊Petri網的混凝土泵泵送液壓系統故障診斷實例中，得出混凝土泵泵送液壓系統功能故障的原因為插裝閥磨損，現對仿真模型中的插裝閥元件模型（圖3）進行仿真，仿真參數為混凝土泵泵送液壓系統發生故障后的插裝閥的實際測試數據，兩種數據得出的仿真曲線對比如圖4所示。由圖4可知，插裝閥確實發生了故障。

圖3 泵送液壓系統插裝閥仿真模型

圖4 樣本數據仿真曲線與實測數據仿真曲線對比

4 結 語

由本文分析可知，模糊Petri網的推理算法與其他算法一樣，能夠得到一致的推理結果，且具有以下優點：采用模糊Petri網作為知識表示模型，表示模糊產生式規則，能夠很好地處理和表示模糊知識和模糊故障信息，使得系統知識的邏輯關系更加簡單、清晰；可以直接利用模糊Petri網具有的同步并發特性對知識表示模型分層、分塊進行推理，使得推理過程更加直觀，易于在計算機上實現；推理機首先根據用戶輸入的可信度，將知識庫中的規則可信度按照一定的公式進行計算，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庫所相聯系的庫所及變遷，避免無關路徑推理，提高了推理效率；該方法的推理過程將現場的實測數據與專家經驗數據相結合，使得分析診斷結果更加接近實際工程。總之，通過插裝閥磨損引起混凝土泵泵送液壓系統功能故障的實例驗證，表明利用模糊Petri網來建立工程機械液壓系統的故障診斷系統，可以提高故障診斷的速度與準確性，是一種有效的故障檢測方法。

參考文獻：

[1] 李文敬，廖偉志，元昌安，等.高級Petri網并行化預處理方法的研究[J].廣西大學學報：自然科學版，2013，38（5）：11001108.

[2] 譚 旭.模糊Petri網在網絡故障診斷中的應用[D].長沙：長沙理工大學，2005.

[3] 宗 群，王 波，牙淑紅.模糊Petri網在電梯故障診斷中的應用[J].起重運輸機械，2004（4）：4448.

[4] 張 允，畢明爽.基于模糊Petri網的發動機故障診斷[J].長春工程學院學報：自然科學版，2003，4（4）：1214.

[5] 王永慶.人工智能原理與應用[M].西安：西安交通大學出版社，1998.

[6] 諸 靜.模糊控制原理與應用[M].北京：機械工業出版社，1995.

[7] 何新貴.模糊知識處理的理論與技術[M].第2版.北京：國防工業出版社，1999.

[8] 隆建波.故障樹理論在混凝土泵車泵送液壓系統故障診斷與維護中的維護中的應用[D].長沙：長沙理工大學，2013.

[9] 張白一，崔尚森.基于模糊Petri網的汽車故障診斷方法[J].長安大學學報：自然科學版，2008，28（2）：9396.

[責任編輯：王玉玲]endprint