CN103412224A - 基于定性模型的电气系统建模方法以及故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

一种基于定性模型的电气系统建模方法以及故障诊断系统，涉及基于模型的故障诊断以及电气系统故障领域，方法：确定用来描述各个元器部件工作状态的变量；定义所有变量的类型及变量实例；定义各个部件模型，并使用已有的变量描述部件的所有工作模式；定义每个部件中各个工作模式之间的转移条件；建立模块，在模块中实例化各个部件；根据各个部件之间的连接关系描述系统的结构。系统包括：可视化建模模块，通信模块，模型验证模块，场景输入模块，诊断模块和结果显示模块。应用本发明能够综合利用系统的结构知识、组成系统的各个部件的功能知识、以往的经验知识对当前的系统状态进行异常评估与故障定位。用于提高诊断诊断的准确性和诊断结果的分辨率。

Description

基于定性模型的电气系统建模方法以及故障诊断系统

技术领域

本发明涉及基于定性模型的故障诊断技术以及电气系统故障诊断领域，具体涉及基于定性模型的建模方法以及故障诊断系统。

背景技术

目前的诊断系统有如下缺陷：

第一，在基于历史数据的故障诊断系统中，由于历史数据只能够体现一定时间段内已经发生的故障信息，而无法包含其它的系统运行特征，导致的结果是建立的系统模型的完备性不足，只能够对某些故障特征有效；

第二，在基于经验知识的故障诊断系统中，由于经验知识主要是根据领域专家的描述提取出来的，因此可能存在知识提取不完整的问题，同时，由于领域专家的知识中只能够包含某类故障或某类系统的诊断特征信息，在应用过程中具有一定的局限性，此外由于经验知识类型多样，形式灵活，也会对知识的表示产生困难或不便；

第三，在基于定量模型的故障诊断系统中，对于复杂结构的、功能耦合的系统来说，其准确的定量模型很难建立，并且模型解算的计算量很大，对实时诊断效率有较大的影响。

定性模型的优势在于基于系统的深知识进行建模，即元器件输入输出信号之间在不同工作状态下的约束条件，同时能够方便地融合其它类型的诊断知识，而且模型的运行效率较高。基于定性模型的诊断系统更加容易实现较好的模块化，由于模型和推理过程相互独立，对于诊断任务的开发更加灵活、方便。

发明内容

本发明为了解决现有电气系统故障诊断系统所存在的诊断知识获取不足、无法建立系统的精度模型的问题，而提出了一种基于定性模型的电气系统建模方法以及故障诊断系统。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述的基于定性模型的电气系统建模方法的实现过程如下：

步骤一，确定电气系统中各个器件之间的结构，器件是诊断的最小元素；

步骤二，根据电器元件输入信号和输出信号之间在不同的工作状态下的约束关系，确定各个部件的工作模式，包括正常状态下的工作模式和故障状态下的工作模式；

步骤三，确定用来描述各个部件工作状态的变量；

步骤四，定义所有变量的类型及变量实例；

步骤五，定义各个部件模型，并使用已有的变量描述部件的所有工作模式；

步骤六，定义每个部件中各个工作模式之间的转移条件；

步骤七，建立模块，并在模块中实例化各个部件；

步骤八，在模块中，根据各个部件之间的连接关系描述系统的结构。

上述建模方法的步骤四中，所有的变量采用符号化的区间值或符号值描述其值域空间，每一个区间值需要根据系统的状态划定区间两端的阈值；

上述建模方法的步骤五中，每个工作模式使用定性的方式将该模式下部件的输入变量与输出变量之间的关系描述出来；

上述建模方法的步骤六中，部件中各个工作模式之间的转移条件有两种方式组成，一是某个条件变量达到特定值，二是部件接收到外部的命令。

本发明还提供了一种基于定性模型的故障诊断系统，包括可视化建模模块，通信模块，定性域界标生成模块，数据与处理模块，场景模板生成模块，场景构造模块，诊断模块和结果显示模块。

上述系统的可视化建模模块，提供了一个可视化的建模环境，在该环境中可以实现通过拖拽的方式将模型的组成部件根据结构连接起来，同时该模块根据用户的操作将模型保存在相应的文件中。

上述系统的通信模块，提供了一种通信方式，将可视化建模模块与模型验证模块、诊断模块、场景输入模块和结果显示模块连接起来，使得用户可以通过在可视化建模模块中的操作对其它模块发出操作命令，同时也可以将这些模块的操作结果返回到可视化建模模块，并加以显示。

上述系统的定性域界标生成模块，该模块的目的是建立定量数据与定性数据之间的映射规则。首先，读取模型中所有定性区间变量的类型，其次，定义每一变量的最大值和最小值，即定性变量的上、下阈值，最后生成定性域界标文件，界标文件的具体格式如下：enum定性变量类型{变量值1LOW下界阈值UP上界阈值，变量值2LOW下界阈值UP上界阈值，……}

上述系统的数据预处理模块，该模块首先读取界标文件中提供的映射准则，将当前整帧中各对应遥测数据定量值根据变量类型映射到相应的定量区间中，得到它的定性值，最终得到所有遥测数据定量值的定性值表。

上述系统的场景模板生成模块，场景是对当前模型的可测节点赋值的指派路径，它标识了每一个可测节点在模型中的路径，以及该测点的定性变量类型，场景模板的具体格式如下：

scenario场景名  模型名

assign test.变量1路径=[变量1的定性类型]

assign test.变量2路径=[变量2的定性类型]

…………

fc//find candidate,返回诊断结果

上述系统的场景构造模块，该模块首先读取场景模板，然后根据生成的所有遥测数据定量值的定性值表根据场景模板生成与当前数据帧对应的场景文件。

上述系统的诊断模块，以编译后的模型文件、场景文件为输入，根据初始状态得到推理值，同时将场景文件中描述系统当前状态的观测值与推理值进行比较，如果一致，则说明当前的状态正常，如果不一致，则说明当前的状态发生了改变，即存在异常。在得到异常后通过对异常进行解释，最终获得可能分发生故障的部件集合，即诊断解。

上述系统的结果显示模块，接收诊断模块的处理结果，并将该结果显示出来。

本发明与现有诊断系统相比的优点在于：

第一，能够综合利用系统的结构和功能知识、从历史数据中提取的诊断知识、经验知识对系统的工作状态进行综合的描述，使得模型具有较好的完备性，有利于提高诊断结果的准确性和分辨率。

第二，采用定性的推理方式进行诊断，能够有效地提高诊断效率。

第三，将系统模块化，每一个模块相对独立，各模块之间通过标准的协议进行通信，具有良好的可维护性。

第四，可以对每一个模块进行单独优化，使得系统的组织方式灵活。

应用本发明能够综合利用系统的结构知识、组成系统的各个部件的功能知识、以往的经验知识对当前的系统状态进行异常评估与故障定位。本发明用于提高诊断诊断的准确性和诊断结果的分辨率。

附图说明

图1为本发明故障诊断系统的功能结构图；图2为本发明故障诊断系统的组成图；图3为建模方法流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图3所示，本实施方式所述的一种基于定性模型的电气系统建模方法的实现过程如下：

步骤一，确定电气系统中各个器件之间的结构，器件是诊断的最小元素；

步骤二，根据电器元件输入信号和输出信号之间在不同的工作状态下的约束关系，确定各个部件的工作模式，包括正常状态下的工作模式和故障状态下的工作模式；

步骤三，确定用来描述各个元器部件工作状态的变量；

步骤四，定义所有变量的类型及变量实例；

步骤五，定义各个部件模型，并使用已有的变量描述部件的所有工作模式；

步骤六，定义每个部件中各个工作模式之间的转移条件；

步骤七，建立模块，并在模块中实例化各个部件；

步骤八，在模块中，根据各个部件之间的连接关系描述系统的结构。

具体实施方式二：本实施方式所述的一种基于定性模型的电气系统建模方法，在步骤二中，各个元器部件在正常状态下的工作模式和故障状态下的工作模式为诊断知识，其中正常状态下的工作模式的描述使用系统的结构和功能知识，故障状态下的工作模式的描述使用故障状态下所表现出来的系统的结构和功能特征，以及经验知识和从历史数据中提取出来的故障特征。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式所述的一种基于定性模型的电气系统建模方法，在步骤五中，电气部件的工作模式由正常模式和故障模式组成，其中正常模式描述了系统在设计阶段确定的或功能结果可接受的工作模式，正常模式有多个，每个正常模式之间通过状态转移条件进行切换；

故障模式是那些其功能结果无法被接受的工作模式，故障模式有多个，故障模式之间一般无法定义状态转移条件；

正常模式无法定义到故障模式的状态转移条件，因为故障的发生是随机的，只有可修复的故障才能够定义到正常模式的状态转移条件；部件工作模式的定义是通过建立该部件的输入、输出变量之间的关系来描述的，它同时也体现了系统的结构，同时部件的工作模式还可以通过经验知识来描述。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式所述的一种基于定性模型的电气系统建模方法，其特征在于：在步骤六中，

部件之间的状态转移条件包括两方面，一是通过定义状态变量之间的关系来定义，当该关系满足时即触发状态转移条件，如接收到脉冲或电平上升信号等，二是通过命令变量来定义，当接收到外部命令时触发状态转移条件，如切换开关状态等。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：如图1和2所示，本实施方式所述的一种基于定性模型的电气系统故障诊断系统包括可视化建模模块、通信模块、定性域界标生成模块、数据预处理模块、场景模板生成模块、场景构造模块和诊断模块和结果显示模块。

具体实施方式六：如图1和2所示，本实施方式中，所述可视化建模模块，用于提供了一个可视化的建模环境，在该环境中可以实现通过拖拽的方式将模型的组成部件根据结构连接起来，同时该模块根据用户的操作将模型保存在相应的文件中。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：如图1和2所示，本实施方式中，所述通信模块，用于提供了一种通信方式，将可视化建模模块与模型验证模块、诊断模块、场景输入模块和结果显示模块连接起来，使得用户可以通过在可视化建模模块中的操作对其它模块发出操作命令，同时也可以将这些模块的操作结果返回到可视化建模模块，并加以显示。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：如图1和2所示，本实施方式中，所述定性域界标生成模块，用于建立定量数据与定性数据之间的映射规则。首先，读取模型中所有定性区间变量的类型，其次，定义每一变量的最大值和最小值，即定性变量的上、下阈值，最后生成定性域界标文件。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：如图1和2所示，本实施方式中，所述数据预处理模块，该模块首先读取界标文件中提供的映射准则，将当前整帧中各对应遥测数据定量值根据变量类型映射到相应的定量区间中，得到它的定性值，最终得到所有遥测数据定量值的定性值表。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：如图1和2所示，本实施方式中，

所述场景模板生成模块用于对当前模型的可测节点赋值的指派路径，它标识了每一个可测节点在模型中的路径，以及该测点的定性变量类型；

所述场景构造模块，该模块首先读取场景模板，然后根据生成的所有遥测数据定量值的定性值表根据场景模板生成与当前数据帧对应的场景文件；

所述诊断模块，用于以编译后的模型文件、场景文件为输入，根据初始状态得到推理值，同时将场景文件中描述系统当前状态的观测值与推理值进行比较，如果一致，则说明当前的状态正常，如果不一致，则说明当前的状态发生了改变，即存在异常；在得到异常后通过对异常进行解释，最终获得可能分发生故障的部件集合，即诊断解；

所述结果显示模块，用于接收诊断模块的处理结果，并将该结果显示出来。

其它组成及连接关系与具体实施方式九相同。

实施例：结合图1说明本实施方式，本实施方式步骤如下：

步骤一：建立系统的定性模型；

步骤二：对模型进行验证，如果通过校验，说明模型的描述正确，进入步骤三，如果未通过校验，说明模型的描述存在错误，则返回步骤一，对模型进行修改；

步骤三：将当前的观测数据离散化，生成相应的定性值；

步骤四：利用表征当前系统状态的定性值对系统当前的状态进行指派，并通过场景文件加载到系统中；

步骤五：利用编译好的模型与场景文件对模型进行诊断，如果存在异常则进行诊断解生成操作，否则返回步骤三，进行下一次诊断；

步骤六：对诊断结果进行评估，以便对产生相应的控制命令，同时返回步骤三，进行下一次诊断。

结合图3，建模方法的具体实施方式为：

步骤一，确定系统的结构与组成部件；

步骤二，确定各个部件的工作模式，包括正常状态下的工作模式和故障状态下的工作模式；

步骤三，确定用来描述各个部件工作状态的变量；

步骤四，定义所有变量的类型及变量实例；

步骤五，定义各个部件模型，并使用已有的变量描述部件的所有工作模式；

步骤六，定义每个部件中各个工作模式之间的转移条件；

步骤七，建立模块，并在模块中实例化各个部件；

步骤八，在模块中，根据各个部件之间的连接关系描述系统的结构。

诊断方法的具体实施方式为：

步骤一，根据模型的初始状态进行推理，得到当前正常工作模式的推理值；

步骤二，将当前的场景输入状态的定性值与推理值进行比较，判断是否有冲突，有，则进入步骤三，没有，则返回步骤一；

步骤三，对存在冲突的部件的集合进行乘法运算，并合并得到的每一个集合中的重复元素，从而得到诊断解；

步骤四，对诊断解中各个部件的故障模式进行遍历，得到故障模式的推理值，那些具有与场景中的观测值相同推理值的故障模式就是诊断解中部件当前的故障模式。

以上是对本发明所提供的一种基于定性模型的建模方法以及故障诊断系统的功能介绍，以上实施步骤只适用于帮助理解本发明的方法和核心思想。

Claims (10)

1.一种基于定性模型的电气系统建模方法，其特征在于它的实现过程如下：

步骤一，确定电气系统中各个器件之间的结构，器件是诊断的最小元素；

步骤二，根据电器元件输入信号和输出信号之间在不同的工作状态下的约束关系，确定各个部件的工作模式，包括正常状态下的工作模式和故障状态下的工作模式；

步骤三，确定用来描述各个元器部件工作状态的变量；

步骤四，定义所有变量的类型及变量实例；

步骤五，定义各个部件模型，并使用已有的变量描述部件的所有工作模式；

步骤六，定义每个部件中各个工作模式之间的转移条件；

步骤七，建立模块，并在模块中实例化各个部件；

步骤八，在模块中，根据各个部件之间的连接关系描述系统的结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于定性模型的电气系统建模方法，其特征在于：在步骤二中，各个元器部件在正常状态下的工作模式和故障状态下的工作模式为诊断知识，其中正常状态下的工作模式的描述使用系统的结构和功能知识，故障状态下的工作模式的描述使用故障状态下所表现出来的系统的结构和功能特征，以及经验知识和从历史数据中提取出来的故障特征。

3.根据权利要求2所述的一种基于定性模型的电气系统建模方法，其特征在于：在步骤五中，

电气部件的工作模式由正常模式和故障模式组成，其中正常模式描述了系统在设计阶段确定的或功能结果可接受的工作模式，正常模式有多个，每个正常模式之间通过状态转移条件进行切换；

故障模式是那些其功能结果无法被接受的工作模式，故障模式有多个，故障模式之间一般无法定义状态转移条件；

部件工作模式的定义是通过建立该部件的输入、输出变量之间的关系来描述的。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于定性模型的电气系统建模方法，其特征在于：在步骤六中，

部件之间的状态转移条件包括两方面，一是通过定义状态变量之间的关系来定义，当该关系满足时即触发状态转移条件，二是通过命令变量来定义，当接收到外部命令时触发状态转移条件。

5.一种基于定性模型的电气系统故障诊断系统，其特征在于：所述故障诊断系统包括可视化建模模块、通信模块、定性域界标生成模块、数据预处理模块、场景模板生成模块、场景构造模块和诊断模块和结果显示模块。

6.根据权利要求5所述的一种基于定性模型的电气系统故障诊断系统，其特征在于：所述可视化建模模块，用于提供了一个可视化的建模环境，在该环境中可以实现通过拖拽的方式将模型的组成部件根据结构连接起来，同时该模块根据用户的操作将模型保存在相应的文件中。

7.根据权利要求6所述的一种基于定性模型的电气系统故障诊断系统，其特征在于：所述通信模块，用于提供了一种通信方式，将可视化建模模块与模型验证模块、诊断模块、场景输入模块和结果显示模块连接起来，使得用户可以通过在可视化建模模块中的操作对其它模块发出操作命令，同时也可以将这些模块的操作结果返回到可视化建模模块，并加以显示。

8.根据权利要求7所述的一种基于定性模型的电气系统故障诊断系统，其特征在于：所述定性域界标生成模块，用于建立定量数据与定性数据之间的映射规则。首先，读取模型中所有定性区间变量的类型，其次，定义每一变量的最大值和最小值，即定性变量的上、下阈值，最后生成定性域界标文件。

9.根据权利要求8所述的一种基于定性模型的电气系统故障诊断系统，其特征在于：所述数据预处理模块，该模块首先读取界标文件中提供的映射准则，将当前整帧中各对应遥测数据定量值根据变量类型映射到相应的定量区间中，得到它的定性值，最终得到所有遥测数据定量值的定性值表。

10.根据权利要求9所述的一种基于定性模型的电气系统故障诊断系统，其特征在于：

所述场景模板生成模块用于对当前模型的可测节点赋值的指派路径，它标识了每一个可测节点在模型中的路径，以及该测点的定性变量类型；

所述场景构造模块，该模块首先读取场景模板，然后根据生成的所有遥测数据定量值的定性值表根据场景模板生成与当前数据帧对应的场景文件；

所述诊断模块，用于以编译后的模型文件、场景文件为输入，根据初始状态得到推理值，同时将场景文件中描述系统当前状态的观测值与推理值进行比较，如果一致，则说明当前的状态正常，如果不一致，则说明当前的状态发生了改变，即存在异常；在得到异常后通过对异常进行解释，最终获得可能分发生故障的部件集合，即诊断解；

所述结果显示模块，用于接收诊断模块的处理结果，并将该结果显示出来。

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