基于模型診斷的產品功能、結構與狀態模型研究*

李智猛 李星新 郝建平 朱亞雄

(軍械工程學院裝備指揮與管理系 石家莊 050003)

基于模型診斷的產品功能、結構與狀態模型研究*

李智猛 李星新 郝建平 朱亞雄

(軍械工程學院裝備指揮與管理系 石家莊 050003)

隨著計算機技術的迅猛發展,基于模型診斷方法逐漸成為了故障診斷領域研究的核心方法;為了建立基于模型故障診斷的模型基礎,針對基于模型診斷中常用模型存在著的缺陷,依據產品設計認知過程的功能-行為-結構模型,分析了產品功能、結構與狀態之間的關系,提出了功能、結構與狀態模型的構建原理和構建思路,構建一種基于功能-結構-狀態的故障診斷黑箱模型,應用于機械、電子類設備的基于模型診斷中;最后,以一個加乘法器系統為例,分析該加乘法器系統的功能、結構與狀態關系和預測輸入輸出。

故障診斷; 基于模型診斷; FSS模型; 功能樹; 結構樹

Class Number TN97

1 引言

在基于模型診斷中,模型的正確性和合理性直接影響診斷的準確性和高效性,所以模型的構建起著至關重要的作用[1]。常用模型有功能模型、結構模型、故障模型和基于結構和行為的模型等[2～3]。功能模型雖然可以迅速將故障定位到基本功能的缺失,但是很多時候無法精確定位到故障的具體物理位置,從而無法對故障排除提供直接指導[4]。結構模型雖然可以將故障物理位置確定到最小可更換單元,但是故障與結構之間無法建立準確的關聯關系。故障模型可將所有可能的故障模式通過故障樹的形式表示出來,但是故障分解層次模型有時也難以確定故障的物理位置。基于結構和行為的模型則是對產品本身結構知識和行為知識的描述,克服了對專家經驗的極度依賴性,也成為了基于模型診斷的主流模型[1,5]。其中基于結構和行為建模的典型軟件有美國航空航天局開發的Livingstone和UpTime公司開發的RODON[6～7]。但是對于溯因診斷,基于結構和行為模型的診斷難以區分每種故障發生的具體原因以及故障單元所處的狀態空間,無法確定產品的故障模式類型。

針對上述問題,依據產品設計認知過程模型(Function-Behavior-Structure,FBS),以結構和行為模型為主導思想,綜合考慮功能模型、結構模型和狀態模型,提出運用功能樹、結構樹和產品結構單元的狀態空間,共同構建產品的(Function-Structure-State,FSS)模型,用于基于模型的故障診斷中。

2 FSS模型構建

2.1 理論基礎

2.1.1 產品功能樹

產品的功能樹是對產品的功能語義和功能行為以樹狀的形式進行的描述和表達[8],也是產品創新設計過程中映射到結構樹的基礎[9]。

功能樹的根節點為產品的頂層功能,也是產品的目標功能。文中采用功能單元來描述產品的功能,功能單元就是對產品某一層次的某項功能統一描述。產品的頂層功能需要其它功能的支撐,所以頂層功能單元可以分解為多個子功能單元。同樣,子功能單元又可以繼續分解為更低層次的功能單元,直至將功能單元分解到基本功能單元,功能樹的示意圖如圖1所示。

圖1 功能樹示意圖

如果將某一層次功能單元作為目標功能,此目標功能單元的子功能單元都是為實現此功能做支撐。產品的目標功能作為頂層功能單元,不具有父級功能單元;最底層功能作為基本功能單元,不具有子級功能單元;中間層功能具有雙重性,既可作為上級功能單元的子功能單元,也可作為下級功能單元的父功能單元。在功能樹中,父功能單元是對子功能的抽象,子功能單元是實現其父功能的目的和手段的具體化[8]。

在功能樹中,父級功能雖然由子級功能共同支撐實現,但是并非所有的子級功能都為必備功能,部分子級功能可能為輔助功能,此類功能的下降或缺失不會對父級功能造成重大影響。如減速器的外殼,外殼的功能主要為防塵和防銹,外殼產生裂紋或者破損不會直接導致減速器無法正常工作。所以在建立功能樹的同時還應建立功能矩陣,用以表示子級功能與父級功能之間的聯系。功能矩陣示例如表1所示,表中“0”表示功能的下降或缺失,“1”表示功能正常。

表1 功能矩陣示例表

2.1.2 產品結構樹

產品在創新設計過程中,需要由已確定功能樹得到對應的結構樹,才能實現產品的功能設計。產品的結構樹是與功能樹相匹配的,以樹狀的形式從頂層到底層來實現產品功能與產品行為的載體,但由于功能與結構之間復雜的映射關系,導致了功能樹與結構樹存在著很大的差異。

產品結構樹的根節點就是產品本身,也是樹的最頂層。按照從頂層到底層的分層思想,可將結構分解為系統、子系統、部件和零件等四個層次。產品往往由眾多系統構成,系統可分為不同子系統,每個子系統又由不同的部件組成,部件又可分為多種不同的零件,產品的結構樹如圖2所示。

圖2 產品結構樹示意圖

2.1.3 產品狀態空間

產品狀態空間是指產品中決定其正常或故障狀態類型的全部可能狀態的集合。狀態空間是一個以狀態變量為坐標軸的多維空間,狀態就是此空間中的一個向量。在任何時刻,產品的狀態是唯一存在的,這種唯一存在的狀態就決定了產品的工作模式。按照正常或故障類型對狀態空間進行劃分,可將其分為正常狀態空間和故障狀態空間,正常狀態空間可以分為多種不同的工作模式,故障狀態空間可以分為多種不同的故障類型,其中產品結構單元的一維狀態空間示意圖如圖3所示。

圖3 產品結構單元的一維狀態空間示意圖

對于狀態空間的描述可以是定量的,也可以是定性的。當產品層次結構較高時,一般運用定性的狀態量對其狀態空間進行描述;當產品的層次結構較低時,一般運用定量的狀態量對其狀態空間進行描述。對于定量的狀態變量,其狀態空間的每個正常狀態或故障狀態都具有一定的閾值范圍,當其狀態變量值超越了其正常工作狀態的上限和下限就發生了狀態轉移,當其狀態變量值超越了正常狀態空間的上限和下限就發生了故障。

2.1.4 產品功能、結構與狀態關系

產品的功能、結構與狀態是用于描述產品特性的重要參數,也是進行產品故障診斷建模的基本要素。產品功能、結構與狀態分析是建立正確合理的故障診斷模型的基礎。

1) 功能與結構的關系

功能是指產品的效能、用途和作用,是產品最為重要的特性,也是產品設計所需達到的目標[10]。結構是指組成產品各個部分的物理模型。結構是實現產品功能的載體,即產品的功能是通過結構的行為所支撐的,所以產品功能與產品結構是相互匹配的。由于產品零部件功能的多樣性以及功能實現的復雜性,導致了一個零部件可能用于實現多種功能,也存在多個不同的零部件僅能實現一種功能,同樣也有一個零部件僅對應一種功能。產品功能與結構之間的關系包含有“多對一”、“一對多”、“一對一”和“多對多”等各種復雜映射關系。

2) 結構與狀態的關系

狀態作為產品的一種屬性,也決定了產品的狀態類型。每種產品都具有自身的狀態集合,構成了此產品的狀態空間。根據結構單元正常或故障,可將產品的狀態空間分為正常狀態空間和故障狀態空間,其中正常狀態可能由一種或多種工作狀態構成,故障狀態可能由多種故障模式組成,每種工作狀態和故障模式均對應著產品狀態空間中的一個狀態范圍。

3) 狀態與功能的關系

產品的狀態就是對產品行為的一種表征,當產品處于正常狀態時就對應著該產品不同的工作狀態,即不同類型的功能;當產品處于故障狀態時就對應著不同類型的故障模式。從產品設計角度出發,狀態就是產品行為表征和故障表征的總和。故障發生的實質就是產品的某層級的某個單元的狀態偏離了其正常工作的狀態空間,所以導致了此單元的某種故障模式的產生,故障的產生最終影響了產品功能的完好,表現為某種功能的下降或缺失。

2.2 建模原理

首先以功能樹為基礎,在功能樹的頂層和中間層采取功能描述的形式;然后,在基本功能層按照基本功能所匹配的結構單元對功能樹進行擴充,然后將匹配的結構單元進行分解,直至分解到最小可更換單元級別;最后將每個最小可更換單元的狀態空間進行擴充,得到最終的結構、功能和狀態模型樹,其模型樹構建原理如圖4所示。

圖4 產品的功能、結構與狀態模型樹構建原理

在完成模型樹構建后,首先,對功能樹進行分析,按照不同的功能層次建立產品功能的黑箱框圖,直至建立到基本功能層次;然后,分析結構單元內部的行為特征以及結構單元之間的連接關系,分別建立基本功能層次下的結構關系框圖。最后,對每個最小可更換單元匹配其狀態空間,其狀態空間包括支撐此基本功能所處的狀態空間和其它所有的狀態空間。

在高層采用功能層次分解法進行建模,有助于故障發生所對應的功能缺失進行迅速定位,減小診斷過程的搜索量,并為進一步確定故障物理位置打下基礎。在基本功能層開始將功能匹配到結構單元,有助于將故障發生所對應的功能缺失定位到具體的物理位置,避免了完全按照結構樹的方式對產品進行盲目分解而無法快速準確確定故障物理位置。在最小可更換單元層運用狀態空間對其進行描述,有助于在故障檢測過程中,根據檢測結果是否偏離了其工作狀態而迅速將故障隔離到最小可更換單元,并確定故障原因和故障模式。

2.3 建模思路

根據上述的建模原理,可以建立產品的功能、結構與狀態模型,具體的建模步驟如下:

1) 產品的功能、結構與狀態分析。根據產品設計思想,分析產品的功能以及為實現此產品功能所需的產品結構,并對產品結構單元的狀態空間進行分析。

2) 根據產品功能樹,構建產品的層次化功能黑箱框圖。根據功能樹中功能的層次劃分,按照層次關系依次建立功能黑箱框圖。黑箱框圖用方框表示產品的功能,其左端表示功能的輸入,右端表示功能的輸出,方框的輸入、輸出表示該功能與外界的物質、能量或信息交換,并用連線將功能進行連接[11]。功能之間的連接關系主要有“與”、“或”和“非”等關系[12]。

3) 分析功能單元的輸入輸出,抽象出數學方程。功能的實質就是一個對輸入參數的函數,通過此函數作用產生相應的輸出參數。根據功能不同,相應組成部分抽象得到的函數不同。輸入參數和輸出參數主要用勢變量和流變量兩種類型的變量進行表示。勢是流的積累,表示系統潛在的做功能力,是做功的內在依據,流是系統各處勢差異導致的結果,是做功的外部表現(勢變量在不同組件接口間進行等值傳遞,流變量在不同組件之間的傳遞滿足零平衡方程)。不同類型的系統,只是勢變量和流變量的具體含義和名稱不同,性質相似,具體系統類型與其勢變量和流變量名稱如表2所示。

表2 不同系統的勢變量和流變量名稱表

4) 確定支撐基本功能的結構單元。分析基本功能所需匹配的結構單元,確定所有匹配的結構單元,并將結構單元按結構樹的分解方式進行劃分,直至劃分到最小可更換單元。

5) 確定最小可更換單元的連接關系及其狀態空間。根據結構單元所完成的基本功能,對這些結構單元所劃分的最小可更換單元連接關系進行分析,并確定其連接關系使其實現所需完成的基本功能,并構建相應的結構黑箱框圖。結構黑箱框圖全部用最小可更換單元來表示,用方框表示產品的結構單元,其左端表示輸入,右端表示輸出,上端表示實現此功能對應的工作狀態空間,下端表示與此功能對應的可能的故障狀態空間,并用連線來表示各組成部分的功能邏輯關系。按照可靠性框圖的思想,可將組成部分的連接關系分為串聯關系、并聯關系、混聯關系、冗余關系和表決關系,其中表決關系又可分為“n中取k好”、“n中取k至r好”和“n中連續取k好”等[13]。

6) 分析最小可更換單元的輸入輸出,抽象出數學方程。

7) 產品的功能、結構與狀態模型構建完成。

3 實例應用

以一個加乘法器系統為例,系統的頂層功能為實現一定規則的加乘法運算,基本功能為實現加法運算和乘法運算,該加乘法器系統的功能、結構與狀態關系圖和預測輸入輸出如圖5、圖6所示。

圖5 加乘法器系統的功能、結構與狀態關系圖

圖6 加乘法器系統預測輸入輸出

4 結語

利用FSS模型對機械、電子裝備進行建模,可以將裝備的功能、結構與狀態信息完備地融合到仿真模型中,大大提高了模型的真實度,可以很好地用于故障智能診斷和故障診斷訓練,在此模型的基礎上,添加相應的測試點,即可用于測試相關工作。由于模型所含的信息比較龐大,構建模型用于故障智能診斷中需要對模型構建和診斷算法進行一定的優化工作,才能夠更好地用于基于模型的診斷中。

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Function-Structure-State Mode Based on Model-Based Diagnosis

LI Zhimeng LI Xingxin HAO Jianping ZHU Yaxiong

(Department of Equipment Command and Management, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003)

With the rapid development of computer technology, the way of model-based diagnosis has become the core way of the fault diagnosis field. In order to provide the model for model-based diagnosis, the existing defects of common model are considered, according to the function-behavior-structure model of the product design cognitive process, the relationship between function, structure and state is analyzed, the black-box function-structure-state model is proposed. And this model has been modeling in order to diagnose the mechanical and electrical equipment. At last, an addition-multiplication system is taken for example, and the relationship of function, structure and state is analyzed, the input and output are forecasted.

fault diagnosis, model-based diagnosis, FSS model, function tree, structure tree

2016年9月5日,

2016年10月17日

李智猛,男,碩士,研究方向:裝備維修性理論與技術。李星新,男,博士,講師,研究方向:虛擬現實技術在維修訓練以及維修性分析中的應用。郝建平,男,博士,教授,研究方向:虛擬維修仿真應用;維修性設計分析技術。朱亞雄,男,碩士,研究方向:虛擬維修訓練理論與應用。

TN97

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.013