CN102968109A - 基于d-s证据理论的安全仪表系统 - Google Patents

基于d-s证据理论的安全仪表系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于D-S证据理论的安全仪表系统，包括传感器、逻辑表决系统和执行单元，所述逻辑表决系统包括输入回路、处理器和输出回路以及基于D-S证据理论的诊断模块；所述基于D-S证据理论的诊断模块在多通道的逻辑表决系统中，根据通道之间的相互关联反馈信息，通过基于D-S证据理论的计算，提高诊断依据的可靠性；采用本发明所述的基于D-S证据理论的安全仪表系统能够在使用较少硬件设备的前提下，实现系统的自诊断功能，且具有成本较低，可靠性、安全性较高的优点。

Description

基于D-S证据理论的安全仪表系统
技术领域
本发明属于工业安全仪表系统可靠性控制领域，特别涉及一种基于D-S证据理论的安全仪表可靠性控制系统。
背景技术
工业安全仪表系统（Safety Instrument System，SIS），又称为安全联锁系统（Safety interlocking System），主要为工厂控制系统中报警和联锁部分，对控制系统中检测的结果实施报警动作或调节或停机控制，是工厂企业自动控制中的重要组成部分。
SIS在危险事件发生前准时并正确地地执行其安全控制功能，由此避免或者减少事故的发生，但是SIS的功能失效将导致其安全控制功能无法实现。国际标准IEC 61508提供了几种实现功能安全的方法，其中简单而高效的方法是逻辑表决系统MOON（N选M）。
1OO1系统如图1所示，系统没有提供冗余，也没有失效模式保护，是典型的非安全系统结构。
1OO2系统如图2所示，系统带有两个独立的逻辑解算器，为了可靠断开系统，两个输出电路采用串行连接。该系统提供了较低的失效可能性，但增加了失效安全断路的可能性，有助于提高系统的可靠性。
1OO2D系统如图3所示，系统包含两个独立的电路通道和诊断通道，如果输出通道检测到一个潜在的危险失效，系统使输出回路断路，确保执行器处于安全状态。系统的诊断功能反映在系统的每个通道中，运用“依据参考”的方法进行系统诊断。1OO2D系统既能容忍安全失效，又能容忍危险失效，在检测到第一个关键失效时，系统通过降级实现1OO1D的功能，并可通过在线维护，将系统恢复到1OO2D结构。
更多的逻辑表决系统还有1OO3，2OO2，2OO3，2OO4D等，其功能通过逐步降级实现1OO2（或1OO2D），1OO1功能。
由此可以看出，在现有的安全仪表系统中，逻辑表决系统要么不具有自诊断机制，要么具有复杂的诊断电路，造成成本上升，因此急需一种在使用较少硬件设备的前提下，实现诊断依据的高可用性、高安全性的具有自诊断功能的安全仪表系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于D-S证据理论的安全仪表系统，该系统能够实现安全仪表系统的自诊断，提高工业安全仪表系统的可靠性，同时，也具有较低的成本。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的基本思路是：在多通道的逻辑表决系统结构中，通道之间的无论是相互独立还是相互关联的，其输出结果都将为其它通道的诊断提供有力的证据，通过适当的运算，这些证据将在通道点形成一种确定性或不确定性的反馈作用，从而为提高系统的可靠性和安全性提供合理的论据，而D-S证据理论正好为处理这种确定性和不确定性提供了一个公理体系。
1.证据的公理化体系
D-S证据理论由可信度分配函数、信任函数、似然函数等基本概念和Despster证据合成法则构成。设辨识框架为                                                
Figure 1248DEST_PATH_IMAGE001
，若函数
Figure 481908DEST_PATH_IMAGE002
满足:
Figure 384136DEST_PATH_IMAGE003
,
Figure 241234DEST_PATH_IMAGE004
 则称
Figure 935520DEST_PATH_IMAGE005
为辨识框架
Figure 852661DEST_PATH_IMAGE001
上的基本可信度分配；
Figure 897977DEST_PATH_IMAGE006
称为A的基概率数,
Figure 293186DEST_PATH_IMAGE007
 的意义为：若
Figure 841979DEST_PATH_IMAGE008
且
Figure 743070DEST_PATH_IMAGE009
，则
Figure 10104DEST_PATH_IMAGE007
表示对A的精确信任程度；若，则
Figure 612303DEST_PATH_IMAGE007
表示对这个数不知道如何分配。
     称对
Figure 933563DEST_PATH_IMAGE011
定义的函数Bel：
Figure 422314DEST_PATH_IMAGE002
是
Figure 424905DEST_PATH_IMAGE001
上的信度函数，对
Figure 948290DEST_PATH_IMAGE012
称为pl为Bel的似然函数。
信度函数与似然函数的关系：
Figure 925604DEST_PATH_IMAGE013
分别看作是A的下限函数和上限函数。
2．证据的组合
对于同样的证据，由于来源不同，会得到不同的概率指派。D-S证据理论提出用正交和来组合这些函数。
设上的
Figure 707932DEST_PATH_IMAGE015
个基本概率分配函数，它们的正交和
Figure 85824DEST_PATH_IMAGE016
为：
     
Figure 748887DEST_PATH_IMAGE017
其中：。
 3.基本算法
（1）知识表示：设某个领域的辨识框为
Figure 556623DEST_PATH_IMAGE019
，命题
Figure 864720DEST_PATH_IMAGE020
，推理规则为：  if E then H, CF
其中E,H为命题的逻辑组合，CF为可信度因子,用
Figure 370788DEST_PATH_IMAGE021
表示可信度。对任何命题A，A的可信度因子CF的可信度应满足：
（2）证据描述：设
Figure 469511DEST_PATH_IMAGE023
上定义的基本概率分配函数，则在运算中，应满足：
 
Figure 884311DEST_PATH_IMAGE024
 
其中表示命题A的元素个数。
（3）不精确推理模型
（a）令A是规则条件部分的命题，在证据E的条件下，命题A与证据E的匹配程度为：
（b）规则条件部分命题A的确定性为：
Figure 685411DEST_PATH_IMAGE027
      本发明所述的基于D-S证据理论的安全仪表系统包括传感器、逻辑表决系统和执行单元，所述逻辑表决系统包括输入回路、处理器和输出回路以及基于D-S证据理论的诊断模块；所述基于D-S证据理论的诊断模块用于在多通道的逻辑表决系统中，根据通道之间的相互关联反馈信息，通过基于D-S证据理论的计算，提高诊断依据的可靠性。
进一步，所述逻辑表决系统采用1oo2结构；所述基于D-S证据理论的诊断模块包括状态空间确定模块、函数建立模块和计算模块；
a.所述状态空间确定模块根据双通道结构确定状态空间，将状态组成一个辨识框架 
Figure 502189DEST_PATH_IMAGE028
；
在1oo2逻辑结构，对每一个通道而言，都有两个确定的状态｛可靠｝、｛不可靠｝及一个不确定状态｛未知｝，其中｛可靠｝和｛不可靠｝表示对通道一而言，通道二给出了同样的结论，分别用｛1｝、｛0｝表示 ，而｛未知｝表示对通道一而言，通道二给出了相反的结论，并用｛0，1｝表示，则这些状态组成辨识框架：
Figure 615638DEST_PATH_IMAGE029
；
b.所述函数建立模块根据各个通道的可靠性，在辨识框架幂集
Figure 540869DEST_PATH_IMAGE030
上建立基本的概率指派函数，进而得到基本概率指派；
对通道一：
Figure 765177DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 357832DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 455232DEST_PATH_IMAGE033
；
对通道二：
Figure 602180DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 630179DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 811761DEST_PATH_IMAGE036
；
其中：
Figure 329330DEST_PATH_IMAGE037
表示通道一的概率指派函数，
Figure 229153DEST_PATH_IMAGE038
表示通道二的概率指派函数，
Figure 795264DEST_PATH_IMAGE039
表示通道一给出｛可靠｝结论，
Figure 831353DEST_PATH_IMAGE040
表示通道二给出｛可靠｝结论，
Figure 270556DEST_PATH_IMAGE041
 表示通道一给出｛不可靠｝结论，
Figure 392095DEST_PATH_IMAGE042
表示通道二给出｛不可靠｝结论；
c.所述计算模块根据概率指派计算正交和；
先计算：，再计算
Figure 918072DEST_PATH_IMAGE044
，从而获得可靠性度量。
本发明的有益效果在于：在本发明所述的基于D-S证据理论的安全仪表系统中，采用了D-S自诊断技术的MOON逻辑表决系统，其充分利用了冗余线路的证据功能，对输入信号的正确输出产生了较强的反馈作用，强化了正确输出的可靠性。同不带诊断技术的MOON逻辑表决系统相比，能大幅提高信号正确输出的可靠性及诊断覆盖率；同带诊断技术的MOOND系统相比，D-S自诊断技术可以减少通道的诊断电路，获得接近MOOND系统的性能，同时也减少了可能由诊断电路带来的附加失效风险，提高系统的可靠性和安全性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为现有的逻辑表决系统中典型的1OO1系统结构图；
图2为典型的1OO2系统结构图；
图3为典型的1OO2D系统结构图；
图4为本发明所述的带D-S诊断技术的1OO2系统结构图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
在本实施例中采用1oo2逻辑结构，对每一个通道而言，都有两个确定的状态｛可靠｝、｛不可靠｝及一个不确定状态｛未知｝，其中｛可靠｝和｛不可靠｝表示对通道一而言，通道二给出了同样的结论，并分别用｛1｝、｛0｝表示 ，而｛未知｝表示对通道一而言，通道二给出了相反的结论，并用｛0，1｝表示，反之亦然。
（1）状态空间确定模块根据双通道结构确定状态空间，将状态组成一个辨识框架 
Figure 777443DEST_PATH_IMAGE028
；则这些状态组成辨识框架：
Figure 386279DEST_PATH_IMAGE029
。.
（2）函数建立模块根据各个通道的可靠性，在辨识框架幂集
Figure 294192DEST_PATH_IMAGE030
上建立基本的概率指派函数，进而得到基本概率指派；
对通道一：
，
Figure 82949DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 179081DEST_PATH_IMAGE033
；
对通道二：
Figure 890685DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 21452DEST_PATH_IMAGE035
，；
其中：
Figure 540475DEST_PATH_IMAGE037
表示通道一的概率指派函数，
Figure 55770DEST_PATH_IMAGE038
表示通道二的概率指派函数，
Figure 650831DEST_PATH_IMAGE039
表示通道一给出｛可靠｝结论，表示通道二给出｛可靠｝结论，
Figure 765734DEST_PATH_IMAGE041
 表示通道一给出｛不可靠｝结论，
Figure 819141DEST_PATH_IMAGE042
表示通道二给出｛不可靠｝结论；
（3）计算模块根据概率指派计算正交和；
先计算：
Figure 924500DEST_PATH_IMAGE043
，再计算
Figure 405160DEST_PATH_IMAGE044
，从而获得可靠性度量。
（4） 数值计算示例
     设第一通道的可靠度为95％，第二通道可靠度为90％，若采用1OO2结构，可得其信号正确输出的可靠性为85.5％，若采用1OO2D结构，信号正确输出的可靠性在99.5％以上，采用D-S诊断技术的失效可能性计算如下（设两个通道相互独立）：
     对通道一：
Figure 963181DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 554699DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 327614DEST_PATH_IMAGE047
；
     对通道二：
Figure 979175DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure 758912DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 154122DEST_PATH_IMAGE050
；
故：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
Figure DEST_PATH_IMAGE053
Figure DEST_PATH_IMAGE054
Figure DEST_PATH_IMAGE055
Figure DEST_PATH_IMAGE056
；
所以，
Figure DEST_PATH_IMAGE057
Figure DEST_PATH_IMAGE058
Figure DEST_PATH_IMAGE059
Figure DEST_PATH_IMAGE060
；
Figure DEST_PATH_IMAGE061
Figure DEST_PATH_IMAGE062
Figure DEST_PATH_IMAGE063
Figure DEST_PATH_IMAGE064
；
故采用D-S自诊断技术的1OO2的信号正确输出的可靠性为99.4953％，明显优于不带诊断的1OO2系统，接近采用诊断电路的1OO2D系统。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于D-S证据理论的安全仪表系统，包括传感器、逻辑表决系统和执行单元，所述逻辑表决系统包括输入回路、处理器和输出回路，其特征在于：所述逻辑表决系统中具有基于D-S证据理论的诊断模块；所述基于D-S证据理论的诊断模块根据输入回路的信号，在D-S证据理论的基础上进行计算，并将计算结果传输到输出回路。
2.根据权利要求1所述的基于D-S证据理论的安全仪表系统，其特征在于：所述基于D-S证据理论的诊断模块用于在多通道的逻辑表决系统中，根据通道之间的相互关联反馈信息，通过基于D-S证据理论的计算，实现逻辑表决系统的自诊断。
3.根据权利要求1或2所述的基于D-S证据理论的安全仪表系统，其特征在于：所述逻辑表决系统采用1oo2结构；所述基于D-S证据理论的诊断模块包括状态空间确定模块、函数建立模块和计算模块；
a.所述状态空间确定模块根据双通道结构确定状态空间，将状态组成一个辨识框架                                                
Figure 200161DEST_PATH_IMAGE001
；
在1oo2逻辑结构，对每一个通道而言，都有两个确定的状态｛可靠｝、｛不可靠｝及一个不确定状态｛未知｝，其中｛可靠｝和｛不可靠｝表示对通道一而言，通道二给出了同样的结论，分别用｛1｝、｛0｝表示 ，而｛未知｝表示对通道一而言，通道二给出了相反的结论，并用｛0，1｝表示，则这些状态组成辨识框架：
Figure 117302DEST_PATH_IMAGE002
；
b.所述函数建立模块根据各个通道的可靠性，在辨识框架幂集上建立基本的概率指派函数，进而得到基本概率指派；
对通道一：
Figure 229931DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 44303DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 866766DEST_PATH_IMAGE006
；
对通道二：
Figure 71482DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 270382DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 939261DEST_PATH_IMAGE009
；
其中：
Figure 932625DEST_PATH_IMAGE010
表示通道一的概率指派函数，
Figure 621708DEST_PATH_IMAGE011
表示通道二的概率指派函数，
Figure 358720DEST_PATH_IMAGE012
表示通道一给出｛可靠｝结论，
Figure 882105DEST_PATH_IMAGE013
表示通道二给出｛可靠｝结论，
Figure 311949DEST_PATH_IMAGE014
 表示通道一给出｛不可靠｝结论，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示通道二给出｛不可靠｝结论；
c.所述计算模块根据概率指派计算正交和；
先计算：，再计算
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，从而获得可靠性度量。
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