CN107633116B - 一种多故障检测序列计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多故障检测序列计算方法，涉及工业故障检测领域，包括S1：针对包含m个故障状态，n个中间状态和k个测点的工业系统，构造故障传递布尔网络模型；S2：构造故障f_i的检测矩阵；S3：构造扩展矩阵；S4：将检测矩阵R_i变换为阶梯矩阵L_i；S5：计算第i项故障状态f_i的检测序列；S6：计算m个故障状态的检测序列；S7：构造k个故障检测逻辑单元；S8：将故障检测序列D_i的k个测点分别与对应故障检测逻辑单元的检测输入连接；S9：将k个故障检测逻辑单元的检测输出做逻辑“与”运算，当运算结果为高电平时，表示故障状态f_i出现，反之则故障状态f_i未出现。本发明能够准确检测出各个测点间的强耦合关系。

Description

一种多故障检测序列计算方法

技术领域

本发明涉及工业故障检测领域，具体涉及一种多故障检测序列计算方法。

背景技术

在复杂工业设备的使用和维护中，多故障检测具有重要的意义。同时，在工业设备可能产生故障的情况下，现如今最直接的做法是对故障产生相关物理量对应的区域或部件布置检测传感器，通过传感器的输出状态来判定故障是否发生。

但是，随着工业设备复杂程度的提高，工业设备的内部结构、工作机理和各部件间关联程度也愈加复杂，因此，当某个特定的故障发生后，该故障的影响范围会迅速扩散到其它相关联处，并最终在多个测试点上表现出来，因此传统的对故障直接相关的物理量布置测点的方式只适用于故障之间无耦合关系的情况，使用范围较为局限。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种多故障检测序列计算方法，能够准确检测出各个测点间的强耦合关系。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是，包括：

S1：针对包含m个故障状态，n个中间状态和k个测点的工业系统，构造故障传递布尔网络模型G＝{A,B,C}，其中，

m、n和k均为非0的自然数；

A＝{a_i,j}_n×n，表示n×n维的状态传递矩阵，a_i,j为布尔型常量，其中i和j均为小于或等于m、n和k的自然数，故障在传递的过程中，每一时刻均对应多个中间状态，对于a_i,j的取值，

B＝{b_i,j}_n×m，表示n×m维的故障输入矩阵，b_i,j为布尔型常量，对于b_i,j的取值，

C＝{c_i,j}_k×n，表示k×n维的状态观测矩阵，c_i,j为布尔型常量，对于c_i,j的取值，

S2：构造故障f_i的检测矩阵

R_i＝{r_i,j}_k×n＝C[b_i,Ab_i,...,A^n-1b_i]；

S3：构造扩展矩阵

其中，I为对角元素全部为1的单位矩阵；

S4：将检测矩阵R_i变换为阶梯矩阵L_i，并将变换得到的阶梯矩阵L_i记为H_i＝[L_i|P_i]，其中，L_i是由R_i变换来的阶梯矩阵，P_i是由单位矩阵I变换来的排列矩阵；

S5：根据排列矩阵P_i，计算第i项故障状态f_i的检测序列D_i＝[d₁,d₂,...,d_k]P_i，其中，[d₁,d₂,...,d_k]表示原始检测序列D₀＝{d₁,d₂,...,d_k}对应的行向量，检测序列D_i的长度为k；

S6：重复步骤S2～S5，计算m个故障状态的检测序列D_i(i＝1,...,m)；

S7：基于计算出的故障状态的检测序列D_i(i＝1,...,m)，构造k个故障检测逻辑单元，k个故障检测逻辑单元分别对应故障状态检测序列D_i的k个测点，所述故障检测逻辑单元包括逻辑“与”运算单元，所述逻辑“与”运算单元的输入端包括检测输入和级联输入，所述逻辑“与”运算单元的输出端包括检测输出和级联输出，且所述逻辑“与”运算单元和级联输出之间设有延迟单元；

S8：将故障检测序列D_i的k个测点分别与对应故障检测逻辑单元的检测输入连接，除第1个测点对应的故障检测逻辑单元的级联输入默认为高电平外，其它故障检测逻辑单元的级联输入为前一个测点对应故障检测逻辑单元的级联输出；

S9：将k个故障检测逻辑单元的检测输出做逻辑“与”运算，当运算结果为高电平时，表示故障状态f_i出现，反之则故障状态f_i未出现。

在上述技术方案的基础上，S4中，检测矩阵R_i变换为阶梯矩阵L_i的具体过程为：

S401：将H_i的第1列的n₁个非零元素，通过行交换的方式排列在前n₁行，其中n为自然数；

S402：将H_i的第2列的第n₁+1行至第k行的n₂个非零元素，通过行交换的方式排列在第n₁+1行至第n₁+n₂行；

S403：将H_i的第i列的第

行到第k行的n_i个非零元素，通过行交换的方式排列在第

行至

行；

S404：重复步骤S401～S403，直至检测矩阵R_i变换为阶梯矩阵L_i。

在上述技术方案的基础上，对于阶梯矩阵L_i，满足：元素全为零的行位于矩阵的末尾；元素不全为零的行，第一个非零元素不能位于上一行的第一个非零元素的左侧。

在上述技术方案的基础上，步骤S1中：

若状态x_i与上一时刻的状态x_i有关，则状态传递矩阵A的对角元素a_j,i＝1；

若状态x_i与上一时刻的状态x_i无关，则状态传递矩阵A的对角元素a_j,i＝0。

在上述技术方案的基础上，所述检测矩阵用于表示故障状态f_i经过n个时刻演化在k个测点上的表现情况。

在上述技术方案的基础上，所述排列矩阵P_i用于记录检测矩阵R_i的排序过程，且该排序过程作用于原始检测序列D₀＝{d₁,d₂,...,d_k}。

在上述技术方案的基础上，k个测点中，最后一个测点对应的故障检测逻辑单元不设有延迟单元。

与现有技术相比，本发明的优点在于：针对包含多个关联状态的复杂工业系统，布置多个测点，对各个测点以及中间状态相关联，准确检测出各个测点间的强耦合关系，方便强耦合故障的解决，且能够准确检测多个故障共同反映在一个测点，但表现时间上存在较大跨度的情况，减少检测传感器的布置。

附图说明

图1为本发明故障检测逻辑单元的结构示意图；

图2为本发明检测序列“Di＝{d1,d3,d2}”的逻辑结构示意图；

图3为本发明检测序列“Di＝{d2,d1/d3,d4}”的逻辑结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种多故障检测序列计算方法，用于对工业系统中可能发生的多个故障进行检测，本发明的多故障检测序列计算方法只考虑离散时刻的物理状态，同时工业系统中故障的传递表现离散时刻的前、后依赖。当故障产生之后，经过工业系统的一些中间状态，在一定离散时刻的延迟后才表现在测点上，即一个故障状态的产生，会经过多个中间状态情形，最终形成并表现为故障状态。本发明中，故障状态、中间状态以及测点的状态表现为两种情况，逻辑“真”和逻辑“假”，该两种布尔状态在物理上，逻辑“真”对应“高”电平，逻辑“假”对应“低”电平。

本发明的故障检测序列计算方法具体包括：

S1：针对包含m个故障状态，n个中间状态和k个测点的工业系统，构造故障传递布尔网络模型G＝{A,B,C}，其中，

m、n和k均为非0的自然数；

A＝{a_i,j}_n×n，表示n×n维的状态传递矩阵，a_i,j为布尔型常量，其中i和j均为小于或等于m、n和k的自然数，故障在传递的过程中，每一时刻均对应多个中间状态，对于a_i,j的取值，

；即某个中间状态与上一时刻的中间状态有关时，a_i,j的取值为1，某个中间状态与上一时刻的中间状态无关时，a_i,j的取值为0.

该步骤中，若状态x_i与上一时刻的状态x_i有关，则状态传递矩阵A的对角元素a_j,i＝1；若状态x_i与上一时刻的状态x_i无关，则状态传递矩阵A的对角元素a_j,i＝0。

B＝{b_i,j}_n×m，表示n×m维的故障输入矩阵，b_i,j为布尔型常量，对于b_i,j的取值，

还能够将故障输入矩阵B表示为行向量形式B_n×m＝[b₁,b₂,...,b_m]，其中b_i(i＝1,2...,m)表示故障输入矩阵B的第i列，

C＝{c_i,j}_k×n，表示k×n维的状态观测矩阵，c_i,j为布尔型常量，对于c_i,j的取值，

m个故障分别用f₁～f_m表示，如故障f₂同时传递到中间状态1和中间状态3，则表示b_1,2＝1，b_3,2＝1；受到影响的中间状态一方面输出到对应测点，如中间状态1直接影响测点3，则表示c_3,2＝1。如中间状态2在延迟1个时刻后传递到中间状态1的输入，则可以说中间状态1与上一时刻的中间状态2有关，则a_1,2＝1。

S2：构造故障状态f_i的检测矩阵

R_i＝{r_i,j}_k×n＝C[b_i,Ab_i,...,A^n-1b_i]；

检测矩阵用于表示故障状态f_i经过n个时刻演化在k个测点上的表现情况，但对于k个测点的时间表现顺序，并未描述。

S3：构造扩展矩阵

其中，I为对角元素全部为1的单位矩阵；

S4：将检测矩阵R_i变换为阶梯矩阵L_i，并将变换得到的阶梯矩阵L_i记为H_i＝[L_i|P_i]，其中，L_i是由R_i变换来的阶梯矩阵，P_i是由单位矩阵I变换来的排列矩阵；

对于检测矩阵R_i变换为阶梯矩阵L_i的具体过程为：

S401：将H_i的第1列的n₁个非零元素，通过行交换的方式排列在前n₁行，其中n为自然数；

S402：将H_i的第2列的第n₁+1行至第k行的n₂个非零元素，通过行交换的方式排列在第n₁+1行至第n₁+n₂行；

S403：将H_i的第i列的第

行到第k行的n_i个非零元素，通过行交换的方式排列在第

行至

行；

S404：重复步骤S401～S403，直至检测矩阵R_i变换为阶梯矩阵L_i。

同时，变换后的阶梯矩阵L_i，满足：元素全为零的行位于矩阵的末尾；元素不全为零的行，第一个非零元素不能位于上一行的第一个非零元素的左侧。

S5：根据排列矩阵P_i，计算第i项故障状态f_i的检测序列D_i＝[d₁,d₂,...,d_k]P_i，其中，[d₁,d₂,...,d_k]表示原始检测序列D₀＝{d₁,d₂,...,d_k}对应的行向量，检测序列D_i的长度为k。排列矩阵P_i用于记录检测矩阵R_i的排序过程，且该排序过程作用于原始检测序列D₀＝{d₁,d₂,...,d_k}，从而得到检测序列。

S6：重复步骤S2～S5，计算m个故障状态的检测序列D_i(i＝1,...,m)；

S7：基于计算出的故障检测序列D_i(i＝1,...,m)，构造k个故障检测逻辑单元，k个故障检测逻辑单元分别对应故障检测序列D_i的k个测点，参见图1所示，故障检测逻辑单元包括逻辑“与”运算单元，逻辑“与”运算单元的输入端包括检测输入和级联输入，逻辑“与”运算单元的输出端包括检测输出和级联输出，且逻辑“与”运算单元和级联输出之间设有延迟单元。因为最后一个测点对应的故障检测逻辑单元的级联输出为悬空状态，即不与任何模块相连接，故k个测点中，最后一个测点对应的故障检测逻辑单元不设有延迟单元。例如对于典型的故障状态的检测序列Di＝{d1,d3,d2}，逻辑结构参见图2所示。

S8：将故障检测序列D_i的k个测点分别与对应故障检测逻辑单元的检测输入连接，除第1个测点对应的故障检测逻辑单元的级联输入默认为高电平外，其它故障检测逻辑单元的级联输入为前一个测点对应故障检测逻辑单元的级联输出；

同时，对于阶梯矩阵L_i出现的并列行，即两行的第一个非零元素在同一列上的情况，且并列行对应测点对应故障检测逻辑单元间的级联输入并联，且并列行对应测点对应故障检测逻辑单元间的级联输出并列接入下一步对应故障检测逻辑单元的级联输入，例如，对于典型的故障状态的检测序列D_i＝{d₂,d₁/d₃,d₄}，其逻辑连接结构如图3所示。

S9：将k个故障检测逻辑单元的检测输出做逻辑“与”运算，当运算结果为高电平时，表示故障状态f_i出现，反之则故障状态f_i未出现。

本发明的多故障检测序列计算方法，针对包含多个关联状态的复杂工业系统，布置多个测点，对各个测点以及中间状态相关联，准确检测出各个测点间的强耦合关系，方便强耦合故障的解决，且能够准确检测多个故障共同反映在一个测点，但表现时间上存在较大跨度的情况，减少检测传感器的布置。

以下结合一实施例对上述多故障检测序列计算方法进行具体说明。

实施例

典型的锅炉补水阀门卡滞(故障状态1)，首先导致锅炉液位(中间状态1)下降；进而，因加热管换热面积不足导致蒸汽压力(中间状态2)下降，进一步导致蒸汽轮机转速(中间状态3)下降；蒸汽轮机转速(中间状态3)下降进而导致给水汽轮机功率下降，从而导致锅炉液位(中间状态1)进一步下降。其中，锅炉液位(中间状态1)下降到一定程度，则会引起液位传感器(测点1)报警；蒸汽轮机转速(中间状态3)下降到一定程度则会引起转速传感器(检测点2)报警。同样的，蒸汽管路泄漏(故障状态2)，首先导致蒸汽压力(中间状态2)下降；后者进一步导致蒸汽轮机转速(中间状态3)下降；最终导致锅炉液位(中间状态1)下降；其中，蒸汽轮机转速(中间状态3)下降到一定程度，则会引起转速传感器(测点2)报警；锅炉液位(中间状态1)下降到一定程度则会引起液位传感器(测点1)报警。

采用布尔方程描述为：

(1)针对2个故障状态，3个中间状态，2个测点的工业系统，构造故障传递布尔网络模型G＝{A,B,C}，其中

(2)构造故障f₁的检测矩阵

(3)

其中，I为对角元素全部为1的单位矩阵。

(4)因为检测矩阵R₁已经是阶梯矩阵，跳过步骤(4)；

(5)因为步骤(4)未进行变换操作，所以排列矩阵

(6)根据排列矩阵P₁，计算故障f₁的检测序列:D₁＝[d₁,d₂]P₁＝[d₁,d₂]；

(7)重复以上步骤(2)～(6)，故障f₂的检测序列如下：

(2)构造故障f₁的检测矩阵

(3)构造扩展矩阵

其中，I为对角元素全部为1的单位矩阵。

(4)对扩展矩阵H₂进行如下行操作，使得检测矩阵R_i变换为阶梯矩阵L_i：

(4.1)将H₂的第2列的1个非零元素，通过行交换r₁和r₂的方式排列在前1行；

(5)将变换后的扩展矩阵记为

其中，L₂是由R₂变换来的阶梯矩阵，P₂是由单位矩阵I变换来的排列矩阵；

(6)根据排列矩阵P₂，计算故障f₂的检测序列:D₂＝[d₁,d₂]P₂＝[d₂,d₁]；

(8)基于故障检测序列D_i,i＝1,2，设计相应的故障检测逻辑如下：

(8.1)构造2个故障检测逻辑单元。

(8.2)针对检测序列D₁的k个测点d_j,j＝1,...,k，按如下方式与逻辑单元连接：

(8.2.1)将检测序列D_i,i＝1,2的2个测点d₁,d₂，分别连接2个逻辑单元的检测输入；

(8.2.2)检测序列D_i,i＝1,2的第1个测点对应的逻辑单元的级联输入默认为高电平(逻辑“真”)；从检测序列D_i的第2个测点对应的逻辑单元开始，当前逻辑单元的级联输入为前一个测点对应的逻辑单元的级联输出；检测序列D_i最后1测点对应的逻辑单元的级联输出悬空(不与任何模块连接)。

(8.2.3)将2个逻辑单元的检测输出做逻辑“与”运算，作为判定结果。

(8.3)当判断判定结果为高电平(逻辑“真”)时，表示故障f_i出现；否则故障f_i未出现。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种多故障检测序列计算方法，其特征在于，包括：

S1：针对包含m个故障状态，n个中间状态和k个测点的工业系统，构造故障传递布尔网络模型G＝{A,B,C}，其中，

m、n和k均为非0的自然数；

A＝{a_i,j}_n×n，表示n×n维的状态传递矩阵，a_i,j为布尔型常量，其中i和j均为小于或等于m、n和k的自然数，故障在传递的过程中，每一时刻均对应多个中间状态，对于a_i,j的取值，

B＝{b_i,j}_n×m，表示n×m维的故障输入矩阵，b_i,j为布尔型常量，对于b_i,j的取值，

C＝{c_i,j}_k×n，表示k×n维的状态观测矩阵，c_i,j为布尔型常量，对于c_i,j的取值，

S2：构造故障f_i的检测矩阵

R_i＝{r_i,j}_k×n＝C[b_i,Ab_i,…,A^n-1b_i]；

其中，b_i(i＝1,2...,m)表示故障输入矩阵B的第i列；

S3：构造扩展矩阵

其中，I为对角元素全部为1的单位矩阵；

S4：将检测矩阵R_i变换为阶梯矩阵L_i，并将变换得到的阶梯矩阵L_i记为H_i＝[L_i|P_i]，其中，L_i是由R_i变换来的阶梯矩阵，P_i是由单位矩阵I变换来的排列矩阵；

S5：根据排列矩阵P_i，计算第i项故障状态f_i的检测序列D_i＝[d₁,d₂,...,d_k]P_i，其中，[d₁,d₂,...,d_k]表示原始检测序列D₀＝{d₁,d₂,...,d_k}对应的行向量，检测序列D_i的长度为k；

S6：重复步骤S2～S5，计算m个故障状态的检测序列D_i(i＝1，...，m)；

S7：基于计算出的故障状态的检测序列D_i(i＝1,...,m)，构造k个故障检测逻辑单元，k个故障检测逻辑单元分别对应故障状态检测序列D_i的k个测点，所述故障检测逻辑单元包括逻辑“与”运算单元，所述逻辑“与”运算单元的输入端包括检测输入和级联输入，所述逻辑“与”运算单元的输出端包括检测输出和级联输出，且所述逻辑“与”运算单元和级联输出之间设有延迟单元；

S8：将故障检测序列D_i的k个测点分别与对应故障检测逻辑单元的检测输入连接，除第1个测点对应的故障检测逻辑单元的级联输入默认为高电平外，其它故障检测逻辑单元的级联输入为前一个测点对应故障检测逻辑单元的级联输出；

S9：将k个故障检测逻辑单元的检测输出做逻辑“与”运算，当运算结果为高电平时，表示故障状态f_i出现，反之则故障状态f_i未出现。

2.如权利要求1所述的一种多故障检测序列计算方法，其特征在于，S4中，检测矩阵R_i变换为阶梯矩阵L_i的具体过程为：

S401：将H_i的第1列的n₁个非零元素，通过行交换的方式排列在前n₁行，其中n为自然数；

S402：将H_i的第2列的第n₁+1行至第k行的n₂个非零元素，通过行交换的方式排列在第n₁+1行至第n₁+n₂行；

S403：将H_i的第i列的第

行到第k行的n_i个非零元素，通过行交换的方式排列在第

行至

行；

S404：重复步骤S401～S403，直至检测矩阵R_i变换为阶梯矩阵L_i。

3.如权利要求2所述的一种多故障检测序列计算方法，其特征在于，对于阶梯矩阵L_i，满足：元素全为零的行位于矩阵的末尾；元素不全为零的行，第一个非零元素不能位于上一行的第一个非零元素的左侧。

4.如权利要求1所述的一种多故障检测序列计算方法，其特征在于，步骤S1中：

若状态x_i与上一时刻的状态x_i有关，则状态传递矩阵A的对角元素a_j,i＝1；

若状态x_i与上一时刻的状态x_i无关，则状态传递矩阵A的对角元素a_j,i＝0。

5.如权利要求1所述的一种多故障检测序列计算方法，其特征在于：所述检测矩阵用于表示故障状态f_i经过n个时刻演化在k个测点上的表现情况。

6.如权利要求1所述的一种多故障检测序列计算方法，其特征在于：所述排列矩阵P_i用于记录检测矩阵R_i的排序过程，且该排序过程作用于原始检测序列D₀＝{d₁,d₂,...,d_k}。

7.如权利要求1所述的一种多故障检测序列计算方法，其特征在于：k个测点中，最后一个测点对应的故障检测逻辑单元不设有延迟单元。

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