JP2505082B2

JP2505082B2 - 機能冗長系を備えた機械システム

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Publication number: JP2505082B2
Application number: JP3336733A
Authority: JP
Inventors: 靖梅田; 哲男冨山; 弘之 ▲吉▼川; 雄一小池
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Priority date: 1991-12-19
Filing date: 1991-12-19
Publication date: 1996-06-05
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Also published as: EP0551631A2; EP0551631A3; US5463545A; JPH05173821A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】目次産業上の利用分野発明の背景従来の技術発明が解決しようとする課題課題を解決するための手段作用実施例 1.「機能冗長」の概念および機能冗長を用いた自己修復
機械の概要 1-1.「機能冗長」の定義 1-2. 機能を表現するための対象表現方法: ＦＢＳダイ
アグラム 1-2-1. ＦＢＳダイアグラムの定義 1-2-2. ＦＢＳダイアグラムの実現 1-2-2-1. 機能表現 1-2-2-2. 挙動、状態表現 1-2-2-3. 対象の記述 1-2-2-4. ＦＢＳダイアグラムを用いた実際の機械の表
現例 1-2-3. ＦＢＳダイアグラムの利用 1-3. 機能冗長機械の構築 2. 機能冗長系を付加した自己修復機械の具体例 2-1. 基本構成 2-2. 自動車を対象機械とした具体例 2-3. 電子写真複写機を対象機械とした具体例発明の効果

【０００２】

【産業上の利用分野】この発明は、冗長系を備えた機械
システムに関するものであり、特に、冗長系として、機
能冗長系を備えた機械システムに関する。ここで、「機
能冗長」とは、「元々機械に存在する部品を用い、その
部品の潜在機能を利用して他の部品の代用として活用す
ること」をいう。

【０００３】

【発明の背景】機械文明の進んだ今日、機械システムの
障害が社会に与える影響は計り知れないので、システム
に対しては種々の保全処理が図られている。機械システ
ムの保全に対しては、一般に、大きく次の３つの手段が
考えられる。すなわち、１．高信頼性設計：なるべく故障が発生しないような設
計を行う。

【０００４】２．予防保全：使用中において故障が発生
しないように予防を行う。３．事後保全：万一、故障が発生しても、システム全体
への波及を抑え、短期間のうちに回復することを目的と
する。しかし、このような考え方には限界がある。まず、高信
頼性設計については、部品の高品質化にも物理的な限界
があり、そのコストは高騰しがちである。また、信頼性
を確保するための冗長設計にしても、システムの巨大化
によるコスト高騰を無視できない。さらに、フォールト
・トレラント（fault tolerant：故障に対して寛容な）
設計を考えるにしても、予防保全にしても、故障が予期
できなければならないが、機械システムの複雑化に伴い
それが困難になってきている。

【０００５】一方、機械システムの障害が社会に与える
影響を考えると、フェール・セーフ（fail-safe)や事後
保全だけを考えることも、現実には非常に危険である。
そこで、むしろ積極的に故障する可能性を認め、故障し
ても機能的に影響しないような方策を考える必要があ
る。

【０００６】

【従来の技術】故障が生じた場合に、機能的に影響しな
いようにする方策の１つとして、機械に冗長系を付与す
ることが知られている。最も一般的な冗長系は、同様の
機能を持つ手段を余分に用意することであり、この冗長
系は機械全体としての信頼性を高める目的で付与され
る。実際には、同種類の部品を並列に複数配置すること
により実現されており、これを「部品冗長」と呼ぶこと
にする。部品冗長の一例は、たとえば特開昭６３−１１
５２０号公報に開示されている。部品冗長は、並列に並
べる部品が多いほど信頼性が向上する有効な手段である
が、その結果、機械システムの重量およびコストの増大
を招く。また、場合によっては、逆にシステムが複雑化
し、信頼性を低下させる原因となることもある。

【０００７】別の冗長系として、特開平２−１１０６０
１号公報には、「協調分散」という制御方式が開示され
ている。この公報に開示されている協調分散制御方式
は、或る制御装置が故障したときに、この制御装置が制
御していたプラントのサブシステムを、適当な他の制御
装置の制御下に置くように割り当てる方式である。つま
り、複数の制御装置を有する場合において、或る制御装
置が故障した場合、故障した制御装置にかかるタスクを
予め定める分担規約に従って他の制御装置に割り当て、
故障した制御装置が行っていた制御を他の制御装置が分
担して行うようにしたものである。この協調分散制御方
式は、制御装置が複数備えられたシステムにおける制御
装置のための冗長系としては有効であるが、制御装置が
制御する機械部品、すなわち機械システムそのものに対
する冗長系となり得るものではない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
冗長系のうち、「部品冗長」は機械システムそのもの
（被制御部品）に対する冗長系であるが、本来必要な部
品に加えて冗長系を実現するために並列に並べる部品が
必要で、価格が高くなり、重量も増加し、構成も複雑に
なる等の問題点があった。また、「協調分散」は制御装
置のための冗長系であって、被制御装置に対しては適用
することができない。

【０００９】この発明は、従来の冗長系とは全く異なる
観点に立脚してなされたもので、機能冗長系という新た
な考え方の冗長系を備えた機械システムを提供するもの
である。すなわち、この発明は、万一障害が発生して
も、構造を何らかの方法で再構成することで機能の回復
が自動的に行えるように、つまり機能的な冗長性を用
い、故障に対して自己修復するような機械を設計すると
いう新しい思想に基づいて完成されたものである。

【００１０】この発明は、機能冗長に基づく自己修復機
械を構築することにより、いわゆる「柔らかく壊れる機
械」を実現することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、複数の機能
発現手段を備え、各機能発現手段は、それぞれが、予め
定められている本来必要とされる機能を発現し得るもの
であり、上記複数の機能発現手段に関して、上記本来必
要とされている機能とは異なる、各機能発現手段が通常
は発現していないが潜在的に有する機能の有無とその内
容とが予めデータ化して記憶された記憶手段、いずれか
の機能発現手段が予め定められている本来必要とされる
機能を発現しなくなったとき、その発現しなくなった機
能と代替できる機能を、前記記憶手段から検索する検索
手段、および検索手段により検索された潜在機能を必要
に応じて発現させる制御手段、を含むことを特徴とする
機能冗長系を備えた機械システムである。

【００１２】

【作用】この発明では、故障発生時に、システムの構造
を変化させることにより、本来別の機能を発揮していた
部品の潜在機能を用いて、必要最低限の部品の増加でよ
り多くの冗長性を機械に付与することができる。すなわ
ち、故障が機械システムに発生した場合に、もともと機
械システムに存在する部品を利用し、既存部品を故障部
品の代用として利用することにより、失われた機能を回
復させる。このような考え方は、機能的な意味での一種
の待機冗長であるが、部品を二重，三重に持っておら
ず、本来別の目的で使用されていた部品を利用する点が
新しく、従来にない冗長系である。

【００１３】

【実施例】

1. 「機能冗長」の概念および機能冗長を用いた自己修
復機械の概要この項では、まず、この発明における「機能冗長」の概
念について説明するとともに、機械の機能冗長を表現し
利用するために必要なＦＢＳダイアグラムについて説明
する。さらに、機能冗長性を機械に付与するための設計
方法、および、機能冗長性を持つ自己修復機械の概要に
ついて説明をする。 1-1. 「機能冗長」の定義機能冗長とは、元々機械システムに存在する部品を用い
て、その部品の潜在機能を利用し、他の部品の代用とし
て活用できるようにすることをいう。

【００１４】たとえば、マニュアルトランスミッション
の自動車は、通常、エンジンの出力により走るが、エン
ジンが作動しない場合には、スターティングモータによ
り移動することができる。これは、駆動系の構造を変更
することにより、スターティングモータに潜在機能「車
体を動かす」を、エンジンに潜在機能「駆動力を伝え
る」を発現させて実現しており、部品数を増加せずに冗
長性を付与している例である。

【００１５】つまり、図１（ａ）に示す構成を、図１
（ｂ）に示すように、スターティングモータを「車体を
動かす」ための駆動源に変更し、エンジンを「駆動力を
伝える」ためのクランクシャフトを利用することによ
り、部品数を増加せずに冗長性を付与しているのであ
る。この明細書においては、このように、潜在機能を利
用して冗長性を付与することを「機能冗長」と定義す
る。

【００１６】機能冗長を従来の部品冗長と比較すると、
表１に示すように、それぞれ、特徴および問題点があ
る。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１における機能冗長の問題点として挙げ
た「機能判断、価値判断の必要性」とは次のようなこと
である。一般に、機能冗長系によって失われた機能Ａを
完全に回復させることは必ずしも容易なことではない。
しかし、失われた機能Ａを或る程度高めることはでき
る。たとえば、上述の自動車の例では、スターティング
モータによる走行では高々５ｋｍ／ｈ程度の速度しか出
ず、高速で走行する機能は発揮されてはいない。また、
スターティングモータによる走行時間にも著しい制限が
ある。

【００１９】しかしながら、失われた機能Ａを回復させ
るに際し、機能冗長系によりどの程度の機能発現があれ
ば使用者が満足できるかというのは、使用状況に依存
し、人間の価値判断により決定されるものである。上記
自動車の例では、最寄りのガソリンスタンドまたはサー
ビス工場まで走行できればよく、走行速度はあまり問題
でないとして満足できるとの考え方がある。あるいは、
そのような機能発現では満足できないとの考え方もあ
る。

【００２０】上述のような価値判断はこの発明の本質と
は区別されるものであり、ユーザとの対話によって決定
されるものとする。この発明にかかる機能冗長は、特
に、メカトロニクス機械のようにコンピュータにより動
作が制御される機械において有用である。というのは、
コンピュータにより動作が制御される機械では、ソフト
ウェア上での制御パターンを変更することにより、機械
の構造変更を実現できるので、機能冗長系の付加が十分
可能だからである。

【００２１】この発明では、一例として、機械システム
の設計時に、設計者が機能冗長系とその構造変更の方法
を機械システムに作り込んでおき、機械システムの故障
の状況に応じて、この機能冗長系を利用するようにされ
ている。 1-2. 機能を表現するための対象表現方法：ＦＢＳダイ
アグラム機能冗長系が組み込まれた機械システム、すなわち機能
冗長機械システムを構築するためには、機能を含めた形
で機械を表現することが必要である。

【００２２】この発明では、ＦＢＳ（Function-Behavio
ur-State) ダイアグラムにより機械を表現する。つま
り、機能、挙動および状態からなるダイアグラムで機械
を表現する。なお、挙動および状態の表現は、K. D. Fo
rbusの定性プロセス理論に基づいた表現を用いる。この
点に関しては後に詳述する。以下、まず、ＦＢＳダイア
グラムについて概説し、次いでＦＢＳダイアグラム上で
の機能冗長機械の表現について説明する。 1-2-1. ＦＢＳダイアグラム 1-2-1-1. ＦＢＳダイアグラムの定義物理的世界に限って考察を行い、ＦＢＳダイアグラムを
構成する状態、挙動およひ機能を、以下のように定義す
る。

【００２３】まず、或る機械の状態Ｓを機械の内部状態
Ｓ_i、環境等の外部状態Ｓ_oを用いて式（１）のように
表現する。Ｓ＝＜Ｓ_i，Ｓ_o＞ …（１）式（１）は、集合Ｓが集合Ｓ_iとＳ_oとにより記述され
ることを意味している。

【００２４】また、内部状態Ｓ_iは機械内の部品等を表
わす実体集合Ｅ、ギヤの大きさ，抵抗の抵抗値等を表わ
す実体の属性集合Ａ、および、部品接続関係，属性間の
関係等を表わす関係集合Ｒにより、次の式（２）のよう
に定義する。Ｓ_i＝＜Ｅ，Ａ，Ｒ＞ …（２）外部状態Ｓ_oも内部状態と同様に記述する。また、いわ
ゆる機械の「構造」も持続時間が長い機械の一種の状態
であると考え、内部状態Ｓ_iの一部として記述する。こ
れは、機械の故障により構造自体も変化する可能性があ
り、その場合に構造変化も柔軟に記述できるようにする
ためである。

【００２５】式（１）および（２）により定義された状
態記述の一例を図２に示す。図２は、文鎮の状態記述を
表わしている。図２には、文鎮は用紙上に置かれ、文鎮
には重量Ｗ、体積Ｖおよび密度Ｄの状態を表わすパラメ
ータが存在し、それらのパラメータにはＤ＝Ｗ／Ｖとい
う関係があることが記述されている。次に、上述の状態
Ｓを用いて、挙動Ｂを「１つ以上の状態の変化（変化し
ないことを含む）」と定義する。この定義を式で表わせ
ば下記の式（３），（４）および（５）となる。

【００２６】ｂ＝ｓ₁→ｓ₂→ … …（３）ｂ∈Ｂ …（４）ｓ₁，ｓ₂，…∈Ｓ …（５）つまり、挙動Ｂの集合に含まれる個々の挙動ｂは、ｓ₁
→ｓ₂→ …と状態が変化するものであり、変化した各
状態ｓ₁，ｓ₂，…は、状態Ｓに含まれる。

【００２７】ここで注意すべきことは、「状態変化」は
ランダムに引き起こされているのではなく、「物理法
則」により引き起こされていると考えることができる点
である。このように状態Ｓと挙動Ｂとが物理法則によっ
て結び付けられているという考え方が、この発明の１つ
の基本的な考え方である。逆にこれゆえ、物理法則の知
識ベースを構築することにより、機械システムの状態表
現と挙動表現との間の無矛盾性をコンピュータにより管
理することが可能になる。

【００２８】以上に基づき、次に、機能Ｆを「人間が或
る目的をもって認識、抽象化した挙動の記述」であると
定義する。つまり、機能は基本的には「〜を〜する」と
いう形式で記述される。この機能Ｆの定義を式で表わせ
ば、下記の式（６）となる。 Γ_ab：Ｂ→Ｆ …（６）式（６）において、Γ_abは、人間による認識、抽象化の
過程を示し、この過程を通じて挙動Ｂは、機能Ｆに変換
される。

【００２９】この機能と挙動との関係は人間の主観に依
存したものであり、見方により同じ挙動に対していくつ
もの機能を対応させることができるし、その逆もあり得
るというのが、この発明のもう１つの基本的な考え方で
ある。たとえば、電子写真複写機を例にとれば、「感光
体ドラムを除電する」という機能に対して、「除電ラン
プの光が感光体ドラムに照射され、静電電荷がアースさ
れる」という挙動や、「チャージャの放電現象により、
感光体ドラム上の静電電荷が打ち消される」という挙動
等、複数の挙動が対応する可能性がある。このような機
能と挙動との多対多対応が機能冗長という考え方を可能
にする根拠になっており、この多対多対応を明示的に表
現するＦＢＳダイアグラムが機能冗長に必要不可欠な前
提要件となっている。

【００３０】ＦＢＳダイアグラムにおける上述した機
能、挙動および状態の関係を図３に示す。図３におい
て、状態集合と挙動集合とは物理法則によって結び付け
られており、挙動集合と機能集合とは認識抽出によって
対応づけられている。 1-2-2. ＦＢＳダイアグラムの実現次に、1-2-1.で述べたＦＢＳダイアグラムの実現方法、
機能、挙動および状態の記述方法について説明する。 1-2-2-1. 機能表現 1-2-1-1.で定義した「機能」をここでは表２に示す「機
能知識」という枠組により記述する。この機能知識は設
計者や技術者の判断に基づき収集され、機能知識データ
ベースを構成する。

【００３１】

【表２】

【００３２】表２に示すように、機能知識は、以下のよ
うな項目により記述される。「機能名」：その機能を表わすラベルであり、「目的語
（複数可）＋動詞」の形で記述される。「実現フィーチャー」：この項には、この機能を実現す
るためのフィジカル・フィーチャーを記述する。後述す
る「1-2-2-2. 挙動および状態表現」の項で述べるよう
に、フィジカル・フィーチャーは機械に頻繁に出現する
挙動と状態とを組にした知識であり、先に定義した「機
能」と「挙動」との関係を規定するものである。一般的
には、記述している機能に対応する実現フィーチャーが
複数存在する場合は複数のフィーチャーを記述し、存在
しない場合は記述しない。

【００３３】「展開知識」：この機能を展開するための
展開方法を示した知識である。展開知識の項には、展開
知識の集合が記述される。１つの機能知識がいくつかの
異なる展開知識を持つこともある。さて、機械の機能
は、一般に、いくつかの部分機能に展開されて観察され
る。たとえば、電子写真複写機の機能「コピーをとる」
は、画像を読取る機能、読取った画像を保持する機能、
現像する機能、現像された画像を転写する機能、転写像
を定着する機能等が組合わされて実現されていると考え
られる。さらに、画像を読取る機能は、原稿をスキャン
する機能、光源となる機能等から構成される。これらの
機能は、一般に、機能の階層構造を構成している。

【００３４】そこでこの発明では、機能知識にその機能
の展開方法を記述した展開知識を持たせることにした。
この展開知識も、設計者や技術者の判断に基づいた知識
である。次に、表３に、展開知識の記述項目を示す。

【００３５】

【表３】

【００３６】表３における項目は、以下の内容になって
いる。「展開知識名」：この展開知識を示すラベルである。「部分機能」：或る機能を展開するための方法を記述し
たものである。 1-2-2-2. 挙動、状態表現この発明における挙動、状態の表現は、前述したよう
に、K. D. Forbusの定性プロセス理論に基づいている。

【００３７】定性プロセス理論では、「物理現象」を単
位として物理的な世界を記述する。ここでは、物理的挙
動、状態をインディビジュアル（individual）、インデ
ィビジュアルビュー（individual view)、プロセスビュ
ー（process view）という基本的枠組により記述する。
インディビジュアルは、1-2-1-1.で述べた実体に対応
し、その機械に存在する物体を表わすラベルである。た
とえば図２の例で言えば、文鎮や用紙がインディビジュ
アルである。

【００３８】インディビジュアルビューは、インディビ
ジュアルやインディビジュアル間の関係の状態を記述す
る。たとえば図２の例で言えば、文鎮には重量Ｗ、体積
Ｖおよび密度Ｄという状態を表わすパラメータが存在す
ること、それらのパラメータ間にＤ＝Ｗ／Ｖの関係があ
ることを記述するものが、インディビジュアルビューで
ある。

【００３９】プロセスビューは、インディビジュアル、
インディビジュアルビューにより構成された状態記述上
で生起する物理現象を記述する。たとえば、自由落下運
動、放電現象等が個々のプロセスビューである。これら
インディビジュアルビュー、プロセスビューは、その生
起条件と、生起後の影響により記述される。インディビ
ジュアル、インディビジュアルビュー、プロセスビュー
を総称して、この明細書においては単にビューと呼ぶこ
とにする。

【００４０】フィジカル・フィーチャー（物理特徴）
は、設計時および保全時によく現れる現象をひとかたま
りの知識としてまとめたものである。１つのフィジカル
・フィーチャーは、上記のビューのネットワークとして
表現され、名前づけされる。この発明では、物理的な体
験に基づいて収集されたフィジカル・フィーチャー・デ
ータベースを利用する。上記の機能知識のうち、このデ
ータベース内のフィーチャーと対応づけが可能な機能表
現は、対応する挙動を実現フィーチャーとして記述する
が、対応しない機能知識には実現フィーチャーを記述し
ないことにする。

【００４１】書き方の具体例を、図４および図５を参照
して説明する。図４は、「電気を蓄える」という機能の
展開知識である。展開知識は、「エネルギーを出す(ene
rgysource) 」という機能によってエネルギーが出力さ
れ、「変換する(translate)」という機能によってエネ
ルギーは電気に変換され、「蓄える(store) 」という機
能によって電気が蓄えられる、という構成になってい
る。

【００４２】この図４に示す展開知識を用意しておき、
機能「エネルギーを出す」をエンジンの回転現象により
実現することを決め、各部分機能を実現するフィジカル
フィーチャーを選択すると、図４の機能階層は実体化さ
れて図５のようになる。すなわち、機能「エネルギーを
出す」はエンジンにより実現され、機能「変換する」は
発電機により実現される。 1-2-2-3. 対象の記述ＦＢＳダイアグラム上で、機械のモデルＭは機能レベル
の階層構造ネットワークｎ_f、挙動・状態レベルのビュ
ーネットワークｎ_bs、および、機能と挙動間の関係の集
合Ｒ_fbを用いて、下記の式（７）のように定義できる。

【００４３】Ｍ＝＜ｎ_f，ｎ_bs，Ｒ_fb＞ …（７）機能・挙動間の関係Ｒ_fbは、機能のノードとそれを実現
するフィーチャーとを関係づけている。階層構造ネット
ワークｎ_fおよびプロトタイプネットワークｎ_bsは、そ
れぞれ、式（８）および式（９）のように定義できる。

【００４４】ｎ_f＝＜Ｆ，Ｒ_f＞ …（８）ｎ_bs＝＜Ｖ，Ｒ_P，Ｃ＞ …（９）式（８）が示すように、機能階層ネットワークは機能知
識Ｆと機能知識間の関係Ｒ_fにより構成される。Ｒ_fは
展開知識の上位下位関係、同一階層レベルでの目的語同
一関係である。

【００４５】また、式（９）が示すように、挙動・状態
レベルのビューネットワークｎ_bsは、ビューの集合Ｖ、
ビュー間の依存関係の集合Ｒ_P、および、スイッチのオ
ン／オフ等の条件や各パラメータの値の初期条件を示す
境界条件集合Ｃにより記述される。これらの記述法に基
づいた或る機械の表現には、さらに以下の２つの情報を
付加する。

【００４６】「成立条件タグ」：一般に、実現フィーチ
ャーを持たない機能が成立しているかどうかの判定を行
わなければならない。そこで、機能のノードにタグとし
て、或る対象におけるその機能の実現条件を書込めるよ
うにすることにする。たとえば、自動車において電気を
蓄える機能は「蓄電池の電力パラメータが正である」時
に発現されると記述する。

【００４７】「前提タグ」：機械には状態を切換えるた
めのいくつかのスイッチが付いている。これらのスイッ
チによって機械の状態が変わる。これが動作モードであ
る。機能冗長系を付加するということは、機械に新たに
動作モードを付加することである。その意味で、動作モ
ード表現する必要がある。ここでは、動作モードを切換
えるスイッチの入力を機能のノードに前提タグとして貼
っておくことにする。或る機能モードに関して挙動シミ
ュレーションを行う場合は、このタグの内容を初期条件
として入力する。 1-2-2-4. ＦＢＳダイアグラムを用いた実際の機械の表
現例図６に、ＦＢＳダイアグラムを用いて実際の機械の一部
を表現した例を示す。図６は、電子写真複写機で実現さ
れている「感光体ドラムを帯電させる」機能を表現する
ＦＢＳダイアグラムの例である。 1-2-3. ＦＢＳダイアグラムの利用以上述べたように、ＦＢＳダイアグラムでは、たとえば
図６で示すように、機械は人間の理解による機能の階層
構造とその機能を実現する挙動、状態により表現され
る。このため、ＦＢＳダイアグラムには次のような特徴
がある。

【００４８】（１）機能と挙動の関係は、本来、多対多
対応であるが、その関係を明示的に表現できる。このた
め、この表現上で機能冗長を表現することが可能にな
る。（２）主観的に記述される機能と、物理的，客観的に記
述することが可能な挙動、状態の表現とを分離すること
ができる。このため、機能レベルの記述は柔軟に記述す
ることができ、一方、その物理的実現性、無矛盾性を、
状態レベルで管理することができる。

【００４９】（３）人間の機械の理解、または、概念設
計時の機械のイメージは機能的なものである場合が多
く、そのような機能的表現を直接コンピュータ上で表現
可能なので、推論結果が人間にとって理解容易なものと
なる。さらに、自己修復機械の設計段階、および、運用
段階でＦＢＳダイアグラムを用いることにより、次のよ
うな特徴を得ることができる。

【００５０】設計時：（１）機能階層において、機能の冗長性の付加のための
推論が行える。（２）挙動、状態階層において、設計しつつある機能の
物理的実現性やその実現方法を導出することができる。運用時：（１）故障発生時に、機能階層において、対象機械上で
どの機能が失われたか、また、それに対処可能な機能冗
長系を知ることができる。

【００５１】（２）挙動、状態階層において、その実現
性、修復操作等をシミュレートすることができる。 1-3. 機能冗長機械の構築機能冗長機械システムは、次の３段階によって構築され
る。（１）設計対象の構造決定まず、概念設計段階として、設計対象の構造を決定し、
部品の接続関係、配置関係などを決定しなければならな
い。このとき、同時に、機械がとり得る動作モードも決
定される。ＦＢＳダイアグラム上で言えば、この構造決
定は機能階層構造、および、挙動、状態レベルのネット
ワークを無矛盾、十分に決定することに対応する。

【００５２】（２）対象機械の抽象的制御シーケンスの
決定（１）で決定された抽象的構造に基づき、機能の発現に
必要なスイッチの拘束条件が求まる。たとえば、「感光
体ドラムが主帯電部を通過する時に、主帯電を行わなけ
ればならない」といったものである。ＦＢＳダイアグラ
ム上で言えば、これは機械全体の機能を発現可能なよう
に、前提タグを時間順序に並べることに相当する。

【００５３】（３）パラメータの決定（１）（２）で決定された機械の抽象的な構造、制御シ
ーケンス内に記述されたパラメータの定量的な値を決定
する。具体的には、感光体ドラムの大きさ、電源の出力
等を決定することである。以上により、機械が構築され
るわけであるが、ここでの機能冗長機械の構築は主に
（１）について述べる。その理由は、（２）（３）の段
階は、一般の設計と同様に行われるからであり、機能冗
長を付加する（１）の段階が、この機械の構築の仕方を
特徴づける段階であるからである。

【００５４】概念設計が終了した通常の機械である設計
対象ｍ⁰＝＜ｎ_f ⁰，ｎ_bf ⁰，Ｒ_f ⁰＞を入力として、
以下のように機能冗長設計が行われる。一例として、図
６、および、同様に電子写真複写機の「転写」機能を実
現している部分、つまり図７に示すＦＢＳダイアグラム
を用いる。（１）冗長性を付加したい設計対象の機能ｆ^*とその機
能構造ｎ_f ^*に注目ここでは、図６の「ドラムを帯電さ
せる」機能が注目される。

【００５５】（２）注目機能に対する機能冗長の候補を
導出ここでは、以下の４種類の方法を組合わせることによ
り、機能冗長の候補が導出される。（ａ）ＦＢ（function-behaviour）関係の操作（図８の
（ａ）参照）注目している機能階層構造ｎ_f ^*は同じものを使い、各
部分機能の実現挙動を既に設計対象のモデルｍ⁰内に存
在する「同じ種類の」別の実現挙動に置換えることによ
り、新しいＦＢ関係が作られる。すなわち、部分機能の
発現フィーチャーｎ_bs ^*と同じクラスであるが別のイン
スタンスであるフィーチャーｎ_bs′で置き換えられる。

【００５６】図６の例で言えば、図６内のａで示される
「放電する」機能を図７内のｂで示される「放電する」
機能を実現している「転写チャージャ上での放電現象」
挙動で置換えることに相当する。（ｂ）潜在機能の利用（図８の（ｂ）参照）上記（ａ）と同様、注目している機能階層構造ｎ_f ^*は
同じものが使われ、各部分機能を対象モデルｍ⁰内の各
インディビジュアルが発揮し得る潜在機能で置換えられ
る。欲しい機能ｆの機能知識に記述されている実現フィ
ーチャーｐｆ内のインディビジュアルが設計対象の挙動
ｎ_bs ⁰内にあれば、そのインディビジュアルが潜在機能
としてｆを発揮する可能性があるので、このｆとｐｆの
組が機能冗長の候補とされる。

【００５７】図６の例で言えば、たとえば「電気を伝達
する」機能に対して、図７内でｃで示された転写チャー
ジャは「電流が流れる」という挙動を発現させることが
可能、すなわち、「電気を伝達する」機能を潜在機能と
して働かせることが可能と推論され、伝達機能をこの転
写チャージャで代替することが試みられる。（ｃ）機能階層の操作（図８の（ｃ）参照）注目している機能階層構造において、或る部分機能が選
択され、その機能と同じ種類の機能が設計対象内で探索
され、置換される。

【００５８】これは、図６の例で言えば、ｄで示される
「エネルギーを出す」機能が図７内のｅで示される「エ
ネルギーを出す」機能以下の部分で代替することが試み
られる。（ｄ）新たな機能階層の構築（図８の（ｄ）参照）注目している機能階層構造において、或る部分、もしく
は全体の機能に注目する。注目する機能の機能知識は複
数の展開知識を持っている可能性がある。そこで、現在
使用している展開知識以外の展開知識を利用し、新たに
機能階層構造を構築し、新たな各部分機能に対し（ａ）
〜（ｃ）が実行される。

【００５９】図６の例で言えば、ｆで示される「電気を
伝達する」機能を展開し、「電気を回転に変換」し、
「回転を伝達」し、さらに、「回転を電気に変換する」
という３種類の部分機能が展開される。以上により、機
能冗長候補の導出が可能となる。（３）機能冗長候補に対する実現条件を導出上述の（２）で得られた機能階層構造を実現する挙動、
実体を設計対象上で引き起こさなければならない。すな
わち、改良前の設計対象モデルｍ⁰に基づき、（２）で
導出されたモデルの部分ｍ^s＝＜ｎ_f ^s，ｎ_bs ^s，Ｒ
_fb ^s＞を含むような矛盾のない設計解ｍ^R（ｍ^s⊆ｍ
^R）を構築しなければならない。ｎ_bs ⁰とｎ_bs ^sを比較
することにより、ｎ_bs ^sは下記の式（１０）に示すよう
に、３つの部分に分けることができる。

【００６０】ｎ_bs ^s＝ｎ_bs ^g∪ｎ_bs ⁱ∪ｎ_bs ^c …（１０）ｎ_bs ^gは設計対象上で実現されている状態の部分（ｇは
goodの略）、ｎ_bs ⁱは設計対象と矛盾はしないが、実現
条件が満たされていない挙動（ｉはinadequate（不十分
な）の略）、および、ｎ_bs ^cは設計対象と矛盾する状態
の部分（ｃはconflict（矛盾）の略）である。このと
き、ｎ_bs ⁱを実現することがこの機能冗長系を実現する
ための条件となり、ｎ_bs ^cと設計対象間の矛盾が本来の
機能構造と機能冗長系を切換えるときに同時に切換えな
ければならないスイッチング機構の条件となる。

【００６１】（４）実現条件を満たす構成の構築上述の（３）で得られた実現条件、スイッチング機構の
条件をもとにして、概念設計が行われる。実現条件、ス
イッチング条件が１つ１つ充足される。そして、挙動シ
ミュレーションが行われ、挙動、状態レベルの無矛盾性
の管理や要求機能の実現性の検証が行われる。

【００６２】図６、図７および図８で取り上げた具体例
の設計結果として得られた機能冗長系を図９に示す。図
９では、上述の（２）の（ａ）で述べた候補が採用さ
れ、図６のａの機能を図７のｂの機能で代替することが
試みられる。この場合、図６の「電源」機能、「電気の
伝達」機能はそれぞれ図７の「電源」機能、「電気の伝
達」機能により代替されて、この機能冗長系が実現され
ている。

【００６３】（５）機能冗長候補の評価上述の（２）で導出された機能冗長候補集合の中から、
採用する機能冗長系が選択されなければならない。ここ
では、下記の式（１１）および（１２）に示す２つの評
価式を導入されている。

【００６４】

【数１】

【００６５】ここで、Redundancy(f^*) は注目する機能
冗長系(f^*) を実現するために付加しなければならない
部分の割合を示す。このRedundancyが１に近ければより
部品冗長的であり、０に近ければより機能冗長的である
と言える。Redundancy(f^*)は定性的にコストに比例す
ると考えられる。また、Robust(f^*)は注目している機
能ｆ^*に対して、元々の設計における実現構造と機能冗
長系における実現構造との間の一致していない度合いを
表わす。このRobust(f^*) が高ければ高いほど、故障発
生時の対象系において注目機能f ^*の機能冗長系の作動
可能性が高くなると考えられる。Robust(f^*) は定性的
には信頼性に比例すると考えられる。

【００６６】機能冗長候補が選択される場合は、Redund
ancy(f^*) の低いものを重要視するか、Robust(f^*) の
高いものを重要視するかを選べる。いずれにせよ、これ
ら２つの評価式により機能冗長候補が１つ選択されるも
のとする。ただし、これら２つの評価パラメータは独立
ではなく、反比例関係にある。 2. 機能冗長系を付加された自己修復機械の具体例 2-1. 基本構成図１０に、機能冗長系を付加された自己修復機械の基本
構成ブロック図を示す。図１０に示すように、機能冗長
系を持つ対象機械１に対し、対象機械１の状態をモニタ
リングするセンサ部２と、対象機械１のコントローラの
制御、スイッチの切換等を行うアクチュエータ部３とを
介して、コンピュータ４が接続されている。コンピュー
タ４には、基本的には、本願発明者等の先願にかかる特
願平２−２５２１９１号の明細書に開示されている故障
診断／修復計画システムが搭載されている。ただし、こ
の自己修復機械における対象モデルは、上記先願の実体
モデル＋パラメータモデルの枠組に機能階層ネットワー
クが付加されたものである。 2-2. 自動車を対象機械とした具体例この発明にかかる機能冗長系が付与された具体的な機械
の一例を次に説明する。

【００６７】図１１は、自動車のエンジン、発電機、バ
ッテリおよびスターティングモータを含むエネルギー伝
達機構の図解図である。図１１に示す構成において、エ
ンジン１１を始動する場合には、スイッチ１２がオンさ
れ、バッテリ１３に蓄えられた電気が導線１４を介して
スターティングモータ１５へ与えられ、スターティング
モータ１５が回転する。スターティングモータ１５の回
転に連動してクラッチ１６が接続されスターティングモ
ータ１５の回転力はクラッチ１６およびフライホイール
１７を介してエンジン１１へ伝達される。応じて、エン
ジン１１が回転し、エンジン１１は自己回転をする。

【００６８】スイッチ１２は始動時に短時間だけオンさ
れた後オフされ、バッテリ１３からスターティングモー
タ１５への電力供給は中止され、スターティングモータ
１５は停止する。またこれに連動してクラッチ１６はフ
ライホイール１７から遮断される。エンジン１１が正常
に回転している場合は、エンジン１１の回転力はベルト
１８を介して発電機１９へ伝達され、発電機１９を回
す。発電機１９が回ると電気が発生し、発生した電気は
導線２０を介してバッテリ１３へ与えられ、バッテリ１
３が充電される。

【００６９】エンジン１１の回転軸２１には回転計２２
が連結されており、回転計２２が生じる回転数はコンピ
ュータ２３へ随時入力されている。また、バッテリ１３
には電圧計２４が接続されていて、バッテリ１３の充電
電圧は電圧計２４によって検出されている。電圧計２４
の検出電圧もコンピュータ２３へ与えられている。コン
ピュータ２３は、後述するように、機能冗長系を発現さ
せる場合に、クラッチ１６およびスイッチ１２を制御す
る。

【００７０】図１２は、図１１に示すコンピュータ２３
による故障修復制御を表わすフローチャートである。次
に、図１２の制御の流れに従って、機能冗長系の発現を
含む故障修復制御について説明をする。制御動作中は、
回転計２２の出力および電圧計２４の出力がコンピュー
タ２３へ与えられる。コンピュータ２３では、回転計２
２の出力に基づいてエンジン回転数が算出され、電圧計
２４の出力によってバッテリ１３の電圧が判定される
（ステップＳ１）。

【００７１】次に、この算出されたエンジン回転数とバ
ッテリ電圧との相関関係、あるいは過去に算出したエン
ジン回転数とバッテリ電圧と今回算出したエンジン回転
数およびバッテリ電圧とを比べた場合の変化量等に基づ
いて、エンジン１１は正常に回転しているけれども、バ
ッテリ１３の充電が行われていないか否かの判別がされ
る（ステップＳ２）。正常時には、エンジン１１の回転
はベルト１８を介して発電機１９を回し、バッテリ１３
が充電される。ところが、ベルト１８の切断、発電機１
９のショートまたは導通不良、発電機１９とバッテリ１
３とを接続する導線２０の漏電または切断等の故障が発
生すると、エンジン１１が回転しているにもかかわらず
バッテリ１３は充電されなくなる。このような場合、す
なわちステップＳ２においてＹＥＳと判別されると、コ
ンピュータ２３により発電系の故障が判定される（ステ
ップＳ３）。

【００７２】そして、故障原因または故障を検出するた
め、故障診断が実行される（ステップＳ４）。ここで行
われる故障診断の手法は、本願発明者等の先願にかかる
特願平２−２５２１９１号の明細書に開示されている手
法を用いて行うことができる。簡単に説明すれば、回転
計２２から与えられる回転のパラメータと、電圧計２４
から与えられる電圧パラメータとの相関関係により故障
診断をする。あるいは、故障診断のために発電機１９の
発電電圧または発電機１９の回転状態を検出するセンサ
を設け、そのセンサ出力をコンピュータ２３へ与えるよ
うにする方が、より正確な故障診断が行える。なお、こ
の発明においては、この故障診断の手法は主題ではない
ので、詳細な説明については省略し、正常時の対象系の
物理的特性を表わすパラメータモデルを図１３に示すに
止める。

【００７３】次いで、故障診断の結果に基づき、パラメ
ータ型故障修復が可能か否かの判別がされる（ステップ
Ｓ５）。そして、パラメータ型故障修復が可能な場合
は、パラメータ型修復作業が実行される（ステップＳ
６）。ここに、パラメータ型修復作業とは、ステップＳ
４で診断された故障原因または故障症状に基づいて、ア
クチュエータ制御量を操作することにより修復作業を実
行することである。たとえば、発電機１９の界磁巻線に
直列に挿入された抵抗値を変化させるとか、バッテリ１
３の入力端に備えられた可変抵抗器を調整して、バッテ
リ１３の入力端子抵抗を変化させるとか、バッテリ１３
の過充電防止のための電圧値を変化させる等の作業が行
われる。

【００７４】そしてその結果、パラメータ値が正常な範
囲に復帰したか否かによりパラメータ型修復作業が成功
したか否かの判別がされる（ステップＳ７）。パラメー
タ型修復作業が成功した場合は、今回の故障修復処理は
終了する。一方、パラメータ型修復処理が成功しなかっ
た場合（ステップＳ７においてＮＯ）、またはステップ
Ｓ５においてパラメータ型故障修復は不可能であると判
別された場合には、この発明にかかる機能冗長型の修復
計画が行われる（ステップＳ８）。たとえば、ベルト１
８の切断、発電機１９のショート、導線２０の切断等の
故障の場合は、パラメータ型修復作業では修復が不可能
である。そこでこのような場合は、機能冗長型修復計画
が実行される。

【００７５】機能冗長型修復計画を実行するための前提
として、コンピュータ２３の図示しないメモリには先に
説明したＦＢＳダイアグラムが記憶されている。図１４
および図１５に、メモリに記憶されているＦＢＳダイア
グラムのディスプレイ表示例を示す。図１４は図１１の
構成における「発電」機能に対するＦＢＳダイアグラム
であり、図１５はエンジン始動系のＦＢＳダイアグラム
である。図１４および図１５において、丸いノードは機
能を表わす機能ノードであり、長方形のノードは挙動・
状態レベルの表現である挙動や部品を表わすビューノー
ドである。また、左上のサブウィンドウは前提タグであ
り、右上のサブウィンドウは成立条件タグの内容であ
る。

【００７６】図１４の「発電」機能に対するＦＢＳダイ
アグラムは、発電系を単純化して図１６のようにモデル
化できる。図１６に示すモデル化した発電部の機能知識
および展開知識は、図１７の内容になる。図１７におい
てラベル「Function１」には機能名「バッテリを充電す
る」が記述され、また、展開知識として「Function２，
３，４」が記述されている。さらに、前提タグには「エ
ンジントルクが発生している」、成立条件タグには「バ
ッテリ容量が満たされている」と記述されている。そし
て展開知識に基づいて、機能知識は階層構造を構成する
ように展開されている。このような展開の仕方は、先に
説明したＦＢＳダイアグラムの実現方法に従っている。

【００７７】コンピュータ２３では、メモリに記憶され
ている上述の図１４〜図１７に示すようなＦＢＳダイア
グラムに基づき、「発電」機能の代替が可能な機能を潜
在的に備えている代替部を検索する。その結果、この実
施例では、「発電」機能は、スターティングモータ１５
を強制的に回転させることにより実現できることが検出
できる。また、「発電」機能をスターティングモータ１
５により実現する場合に、どのような構成にすればよい
か、つまり「発電」機能の機能冗長系をＦＢＳダイアグ
ラムを用いて導き出す。導き出された発電機能の冗長系
のＦＢＳダイアグラムを図１８に示す。

【００７８】図１８に示すように、発電機１９の代替と
して、エンジン１１が回転中は使用されないスターティ
ングモータ１５が「発電」機能の機能冗長系を構成す
る。そして発電機１９の故障時には、クラッチ１６とス
イッチ１２とにより構造を変更し、スターティングモー
タ１５により発電がされるようにする。これは、既に明
らかなとおり、発電機能がエンジンにより回転を電気に
変換する物理的実現構造により発揮されていることと、
スターティングモータ１５の潜在機能「回転を電気に変
換する」とを利用したものである。

【００７９】より詳細には、以下のアルゴリズムにより
機能冗長型の修復計画が実行される。（１）機能冗長系候補の導出図１６に示す構成において、失われている機能、つま
り、「発電」機能の中の機能冗長系を持つものを検索す
る。機能冗長系を持つものを発見できなかった場合は、
機能冗長型修復計画はこの段階で失敗する。

【００８０】機能冗長系を持つ機能の中で、ステップＳ
４（図１２参照）における故障診断において導出された
故障を含まないものを機能冗長候補として導出する。こ
の例では、エンジン始動系部分を利用した「発電」機能
の機能冗長系が選択される。（２）対象モデルの変更前項（１）で選択された機能冗長系に基づき、対象機械
の構造が変更される。対象モデルは、図１８に示す機能
冗長系が発現された状態のモデルに変更される。

【００８１】（３）修復シミュレーション実際に機能冗長系が動作されるのに先立ち、機能冗長系
が発現された対象モデルに基づき、修復シミュレーショ
ンが行われる。このシミュレーションは、パラメータ型
故障修復において行われるのと同様のシミュレーション
である。図１９に、機能冗長系利用時のパラメータモデ
ルを示す。

【００８２】（４）候補の順位付け修復シミュレーションの結果得られる修復後の対象モデ
ルをもとに、現在発生している故障に対し、機能冗長系
が作動するか、機能が回復するか、他の部分に副次的な
悪影響を及ぼさないか、等が判定される。修復シミュレ
ーションの結果、機能冗長系が作動しない候補や、機能
を回復しない候補は、この時点で削除される。削除され
なかった候補は、副次的な影響が少ない順に順位付けさ
れる。

【００８３】以上のようにして、機能冗長型修復計画が
実行される。次いで、図１２におけるステップＳ９の修
復が実行される。この実施例の場合、スターティングモ
ータ１５が発電機能を発現し、その結果バッテリ１３が
充電される。なお、通常、発電機１９にはレギュレータ
が付加されており、過充電を防ぐようにされている。と
ころが、この機能冗長系ではレギュレータは付加されて
いないので、過充電のおそれがある。この場合、過充電
は、パラメータ型自己修復により防ぐことができる。す
なわち、電圧計２４の出力電圧が正常値以上である場合
は異常と判定し、その原因として発電量が過大であると
判定する。その結果からクラッチ１６を切るかまたはス
イッチ１２をオープンにして、発電または充電を中止す
る。

【００８４】また、電圧計２４の電圧を読取り、バッテ
リ１３の電圧が低下したことを検出した場合は、クラッ
チ１６を再度接続するかまたはスイッチ１２をオンに
し、スターティングモータ１５による充電を再開すれば
よい。このような制御ループは、コンピュータ２３上に
ＦＢＳダイアグラムを用いて動的に生成される。以上
は、自動車における発電機とスターティングモータとの
関係における機能冗長系を例にとって説明した。このよ
うな比較的簡単な機械システムにおける機能冗長系の場
合、機械システムが故障した場合に、機能冗長型の修復
計画をその都度実行するのに代え、機能冗長型の修復計
画の結論のみを予めメモリに記憶させておくことによ
り、より迅速な機能冗長型修復計画を実行できる。

【００８５】すなわち、予めメモリに、「発電」機能が
失われた場合には、スターティングモータ１５を利用し
て「発電」機能の機能冗長系を発現させると記憶してお
き、かつ、その場合に必要な対象モデルの変更内容も記
憶しておく。このようにすれば、機能冗長型修復計画を
極めて短時間で実行することができる。このような簡易
型の機能冗長系は、比較的簡単な機械や、多少複雑な機
械システムであっても、故障原因や故障症状の事例が蓄
積された場合には、有効に活用することができる。

【００８６】一方、ＦＢＳダイアグラムを用いて故障発
生の都度機能冗長型修復計画を実行するやり方は、機械
システムが巨大化した場合、たとえば広大な地域に建設
された総合プラントや、宇宙空間に浮かぶ衛星ステーシ
ョン等のような超大規模な機械システムに対して有効で
あり、故障が発生する都度、最適な機能冗長型の修復計
画を導き出すことができる。 2-3. 電子写真複写機を対象機械とした具体例図２０は、電子写真複写機における画像形成機構の制御
構成を示すブロック図である。

【００８７】図２０に示す構成において、感光体ドラム
３１は、矢印３２方向へ一定速度で回転され、ドラム角
Ａ０において主帯電、ドラム角Ａ１において露光、ドラ
ム角Ａ２において現像、およびドラム角Ａ３において転
写が行われるようにされている。そのため、感光体ドラ
ム３１の周囲には、ドラム角Ａ０に対向してメインチャ
ージャ３３が配置され、ドラム角Ａ１で原稿反射光が照
射され、結像されるようにされている。また、ドラム角
Ａ２に対向して現像装置３５が備えられ、ドラム角Ａ３
に対向して転写チャージャ３６が配置されている。

【００８８】メインチャージャ３３にはコンピュータ３
８によって制御されるメイン高圧ユニット３７から高電
圧が印加されるようになっていて、たとえば＋５．７ｋ
Ｖの高電圧の印加により、メインチャージャ３３はコロ
ナ放電を行い、感光体ドラム３１の表面を均一に帯電さ
せる。ドラム角Ａ０において主帯電チャージャ３３によ
り均一に帯電された感光体ドラム３１の表面がドラム角
Ａ１まで回転すると、感光体ドラム３１表面は原稿反射
光３４によって露光される。原稿反射光３４の光量は、
ＡＥセンサ４１ａによって測定され、コンピュータ３８
へ与えられる。また、原稿反射光３４によって露光さ
れ、露光部分の帯電電荷が除去された感光体ドラム３１
の表面電位は、表面電位センサ４１ｂで測定され、コン
ピュータ３８へ与えられる。

【００８９】さらに感光体ドラム３１が回転して、ドラ
ム角Ａ２になると、現像装置３５によって現像がされ
る。このとき、現像装置３５にはバイアス電圧ユニット
４０によってたとえば＋２５０Ｖの現像バイアス電圧が
印加されている。バイアス電圧ユニット４０もコンピュ
ータ３８の制御下に置かれている。さらに感光体ドラム
３１が回転し、ドラム角Ａ３になると、コンピュータ３
８は転写高圧ユニット４２へ駆動信号を与え、転写高圧
ユニット４２から転写チャージャ３６へたとえば＋６．
５ｋＶの高電圧が印加され、転写チャージャ３６はコロ
ナ放電を行い、感光体ドラム３１表面上のトナーを、搬
送されてきた用紙４３へ転写する。そして用紙４３に転
写されたトナー像の濃度は、濃度センサ４１ｃによって
検出され、コンピュータ３８へ与えられる。

【００９０】コンピュータ３８では、３つのセンサ、す
なわちＡＥセンサ４１ａ、表面電位センサ４１ｂおよび
濃度センサ４１ｃから与えられる検出値に基づき、画像
形成状態を監視している。図２１は、コンピュータ３８
における故障診断および修復制御の概要を示すフローチ
ャートである。図２１のフローチャートの流れに従って
次に説明する。

【００９１】コンピュータ３８により、今、故障症状と
して「画像濃度が低い」と判断されたとすると、その故
障症状を引き起こす原因についての推論、すなわち故障
判定がされる（ステップＳ１１）。故障判定は、３つの
センサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃの検出データを基に行わ
れる。故障の判定は、対象モデルの機能階層ネットワー
ク上で最上位に位置する機能の成立条件（機能評価知
識）をセンサ値と比較することによって実現される。た
とえばこの実施例の場合は、最上位機能「ドラムを帯電
させる」の成立条件タグ「ドラム電位≧ノーマル」に対
してセンサ値を当てはめることにより、たとえば帯電機
能が成立していない、すなわち、故障であると判別され
る。

【００９２】次いで、故障判定の結果に基づき、パラメ
ータ型故障修復が可能か否かの判別がされる（ステップ
Ｓ１２）。そして、パラメータ型故障修復が可能な場合
は、パラメータ型修復作業が実行される（ステップＳ１
３）。そしてその結果、パラメータ値が正常な範囲に復
帰したか否かによりパラメータ型修復作業が成功したか
否かの判別がされる（ステップＳ１４）。パラメータ型
修復作業が成功した場合は、今回の故障修復処理は終了
する。

【００９３】一方、パラメータ型修復処理が成功しなか
った場合（ステップＳ１４においてＮＯ）、またはステ
ップＳ１２においてパラメータ型故障修復が不可能であ
ると判別された場合には、この発明にかかる機能冗長型
の修復計画が行われる（ステップＳ１５）。上述の故障
が「メインチャージャ切れ」等の場合は、パラメータ型
故障修復は不可能であるから、ステップＳ１５における
機能冗長型故障修復が行われる。

【００９４】この機能冗長型修復計画を行うための前提
として、コンピュータ３８のメモリ３８Ｍには帯電機能
部を対象モデルとしたＦＢＳダイアグラムが記憶されて
いる。図２２に説明の便宜上単純化された帯電機能部の
ＦＢＳダイアグラムを示す。また、図２３に、感光体ド
ラムの帯電機能に関する機能知識および展開知識の内容
を示す。図２３においてラベル「Function１」には機能
名「ドラムを帯電させる」が記述され、展開知識が記
述されている。また、前提タグとしては「電源プラグが
差し込まれ、電源スイッチがオンしている」、成立条件
タグとしては「ドラム電位≧ノーマル（基準電位）」が
記述されている。そして展開知識に基づいて機能知識
は階層構造を構成するように展開されている。つまり、
展開知識は、Function２，３，４のラベルを示し、Fu
nction２，４は、それぞれ展開知識に展開される。
また、Function３には「電気を伝達する」という機能名
が記述され、その実現フィーチャーとして「実現フィー
チャー４：ビュー＝電流，インディビジュアル＝メイン
トランス，メインチャージャ，ワイヤ４，５」が記述さ
れている。このような展開の仕方は、先に説明したＦＢ
Ｓダイアグラムの実現方法に従っている。

【００９５】コンピュータ３８は、メモリ３８Ｍに記憶
されている上述の図２２および図２３に示すＦＢＳダイ
アグラムならびに機能知識および展開知識に基づき、感
光体ドラム３１を帯電させるために、メインチャージャ
３３に代わる帯電機能を検索する。つまり「帯電機能」
という故障により失われた機能の中に機能冗長候補を検
索する。機能冗長候補を発見できなかった場合は、修復
計画はこの段階で失敗する。

【００９６】一方、機能冗長候補が発見できた場合は、
その冗長系に故障診断部で導出された故障を含まないも
のが選択される。その結果、この実施例では転写チャー
ジャ３６を用いた機能冗長系が選択される。要約すれ
ば、対象モデルは、正常時においては、図２４に示すよ
うな構造および現象を備えており、主帯電現象はメイン
チャージャにより発現されていて、転写チャージャによ
る主帯電現象は潜在機能として眠っている。ところで、
故障時には、メインチャージャによる主帯電現象は発現
不可能となるから、図２５に示すように、潜在機能とし
て眠っていた転写チャージャによる主帯電現象を発現さ
せるようにする。

【００９７】機能冗長系に転写チャージャ３６が用いら
れるとき、対象モデルをＦＢＳダイアグラムで表わすと
図２６に示すものになる。次に、機能冗長系として転写
チャージャ３６が用いられる場合において必要な画像形
成処理のための定性シーケンスが生成される（図２１の
ステップＳ１６）。定性シーケンスの生成は、次の順序
でなされる。

【００９８】（１）まず前提として、以上で選択された
機能冗長候補の対象モデルとして定性シーケンスの生成
のために必要な構造および要求挙動が予め入力され記憶
されている。構造とは、対象機械を構成する部品、部品
間の関係の性質、物理現象が前述のインディビジュア
ル、インディビジュアルビューおよびプロセスビューに
より記述されている。すなわちビューのネットワークと
して記述されている。そして入力されたビューネットワ
ークに対して起こり得る全ての物理現象が挙動シミュレ
ーションにより導出され、その成立条件等が導出されて
ＡＴＭＳ(Assumption based Truth Maintenance Syste
m: De Kleerにより提唱されている）により状態記述が
管理されている。このようにして導出されたビューネッ
トワーク上で起こり得る全ての現象の依存関係を表わす
ディスプレイ表示例を図２７に示す。

【００９９】また、要求挙動が予め入力されて記憶され
ている。要求挙動は、２段階に分けて入力され記憶され
ている。具体的には、瞬間状態の入力：或る状態において、最低生じて欲し
い現象およびパラメータ値等である。状態間の時間的前後関係の入力：瞬間状態の時間的前
後関係を表わすもの。たとえば、この具体例の場合なら
ば「主帯電→転写」のように生じて欲しい現象を書き並
べたものや、「Paper image nothing →Paper image fu
ll」のようにパラメータの変化である。

【０１００】（２）次に、以上の入力され記憶されてい
る構造および要求挙動をもとに、定性シーケンスが作成
される。定性シーケンスの作成の説明に先立ち、図２０
に示す画像形成機構における正常時の定性的タイミング
チャートについて、図２８を参照して説明する。画像形
成時における現象は、初期、主帯電、露光、現像および
転写の順序で発現する。時間０において初期現象が生
じ、このときはドラム帯電量はnothing でかつドラム上
のトナー濃度もnothing である。時間１では主帯電現象
が発現し、メインチャージモード（ＭＣモード）がＯ
Ｎ、ドラム角はＡ０、ドラム帯電量はnothingからFull
に変化する。次いで時間２になると露光現象が発現し、
ハロゲンランプがＯＮし（Ｈｌモード＝ＯＮ）、ドラム
角はＡ１となり、ドラム帯電量はFullからExposed に変
化する。時間３では現像現象が発現して（Ｄｅｖモード
＝ＯＮ）、この場合は現像モードがＯＮ、ドラム角はＡ
２、ドラム上のトナー濃度はnothing からFullに変化す
る。さらに、時間４では転写現象が発現して（ＴＣモー
ド＝ＯＮ）、この場合は転写チャージモードがＯＮ、ド
ラム角はＡ３でドラム上のトナー濃度はFullである。

【０１０１】このような正常な画像形成のための定性的
タイミングチャートにおいて、要求挙動は、「主帯電→
転写」である。つまり、主帯電現象が発現した後転写現
象が発現しなければならない。次に、故障時における画
像形成のための定性的タイミングチャート、つまり定性
シーケンスの作成について説明する。

【０１０２】まず、要求挙動として「主帯電→転写」が
導出され、図２９に示すように、要求挙動における各瞬
間でのパラメータ値等が図２７に示した現象の依存関係
ネットワークから導出される。たとえば、転写チャージ
ャ３６によるドラム充電のためには、条件：転写チャージモード＝ＯＮドラム角＝Ａ３影響：ドラム充電＝nothing →Full という知識が図２７に示した全ての起こり得る現象の前
提条件を探索することにより導出される。同様に、転写
チャージャ３６による転写を行うためには、条件：転写チャージモード＝ＯＮドラム角＝Ａ３ドラムトナー＝Full でなければならない。よって、図２９のようなタイミン
グチャートが作られる。

【０１０３】次いで、前後する瞬間状態間で生じなけれ
ばいけない現象の導出がされる。図３０に示すように、
時間０でドラムトナーがnothing で、時間４ではドラム
トナーはFullである。それゆえ、時間０と時間４との間
に現象として「現像」が生じなければならないことが推
測できる。そこで、図３１に示すように、現像現象に必
要な前提条件および影響、条件：現像モード＝ＯＮドラム角＝Ａ２ドラム充電＝Exposed 影響：ドラムトナー＝nothing →Full に基づいて図３１のタイミングチャートができる。

【０１０４】このようにして、要求挙動が満たされるよ
うになるまで推測を繰返し、全パラメータの不連続性を
埋め終わるまで行う。この結果、図３２に示すメインチ
ャージャ３３が故障時の定性的タイミングチャートが完
成する。図３２に示すタイミングチャートは、定性的な
タイミングチャートであるから、これに定量値を与え、
転写チャージャ３６のチャージ時間等を決定することに
より、制御シーケンスは完成する（ステップＳ１７）。
この場合において、感光体ドラム３１の回転速度は一定
であり、ドラム角Ａ０，Ａ１，Ａ２およびＡ３は予め決
まっているので、時間０〜時間４の時間的な長さは自ず
と決定される。以上のようにして、機能冗長型修復計画
により冗長系が選択され、さらに定性シーケンスが生成
されて定量値が付加されて、コンピュータ３８が行うべ
き制御プログラムが完成する。

【０１０５】そして完成された制御プログラムに従って
実際に制御を行う前には、パラメータ型の修復シミュレ
ーションが行われ、機能冗長系が作動するか、機能が回
復するか、副次的な悪影響がないか等が判定された後、
装置が作動される。以上説明した電子写真複写機の画像
形成機構を対象機械とした場合においても、先に説明し
た自動車を対象機械とした場合と同様に、いわゆる簡易
型の機能冗長系を備えた構成にすることもできる。すな
わち、予めメモリに、メインチャージャによる「帯電」
機能が失われた場合には、転写チャージャにより「帯
電」機能の機能冗長系を発現させる、と記憶しておき、
かつ、その場合に必要な定性シーケンスを予め作成して
記憶しておく。このようにすれば、機能冗長型修復計画
および定性シーケンスの推論をメモリから読出すことで
実現できるので、極めて短時間で機能冗長型の故障修復
を実行できる。

【０１０６】つまり、複数の機能発現手段に関して、本
来必要とされている機能とは異なる、各機能発現手段が
通常発現していないが潜在的に発現する機能の有無と内
容とを検索する場合において、故障等が発生するごと
に、ＦＢＳダイアグラムを利用して逐次検索を行うやり
方でもよいし、あるいは、機械システムが比較的小規模
の場合、予めそのような検索を行って検索結果をメモリ
に記憶しておくことにより、故障等の発生時には対応す
るデータをメモリから読出すというやり方を採用するこ
とができる。

【０１０７】いずれのやり方を用いるにしろ、機能冗長
型の修復により、いわゆる「柔らかく壊れる機械」を実
現することができる。上述の複写機を対象機械とした機
能冗長型システムでは、画像形成機構を例にとったが、
これ以外に、たとえば感光体ドラムの帯電電荷を除電す
るための除電ランプが切れた場合に、ハロゲンランプの
光を感光体ドラムへ導き、感光体ドラムの帯電電荷を除
電するという機能冗長系を実現することもできる。ある
いは、感光体ドラムのクリーナが故障した場合に、現像
装置に備えられている磁気ブラシを利用して感光体ドラ
ムのクリーニングを行うような機能冗長系を実現するこ
ともできる。

【０１０８】

【発明の効果】この発明によれば、機能冗長系を機械シ
ステムに付加することにより、万一故障が発生しても、
構造を何らかの方法で再構成することで機能の回復が自
動的に行える。それゆえ、いわゆる「柔らかく壊れる機
械」を実現することができ、故障しても機能的な影響し
ないような機械システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】自動車の駆動系を例にとった「機能冗長」の定
義を説明するための図解図である。

【図２】ＦＢＳダイアグラムにおける状態記述の一例を
示し、文鎮の状態記述を表わす図である。

【図３】ＦＢＳダイアグラムにおける機能、挙動、状態
の関係を表わす図である。

【図４】「電気を蓄える」という機能の展開知識の書き
方を示す図である。

【図５】「電気を蓄える」という機能知識を実体化した
書き方を示す図である。

【図６】電子写真複写機における「帯電」機能のＦＢＳ
ダイアグラムの一例を示す図である。

【図７】電子写真複写機における「転写」機能のＦＢＳ
ダイアグラムの一例を示す図である。

【図８】機能冗長系の候補の導出方法を説明するための
図である。

【図９】図８に示す方法に従って導き出された「ドラム
を帯電させる」という機能に関する機能冗長設計解の例
を示すＦＢＳダイアグラムである。

【図１０】機能冗長系を付加された自己修復機械の基本
構成を示すブロック図である。

【図１１】自動車のエンジン、発電機、バッテリおよび
スターティングモータを含むエネルギー伝達機構の図解
図である。

【図１２】図１１に示すコンピュータ２３による故障修
復制御を表わすフローチャートである。

【図１３】図１１の構成における正常時のパラメータモ
デルを示す図である。

【図１４】図１１に示す構成において、コンピュータの
メモリに記憶されている「発電」機能に対するＦＢＳダ
イアグラムのディスプレイ表示例を示す図である。

【図１５】図１１に示す構成におけるコンピュータメモ
リに記憶されているエンジン始動系のＦＢＳダイアグラ
ムのディスプレイ表示例を示す図である。

【図１６】「発電」機能に対するＦＢＳダイアグラム
を、発電系を単純化してモデル化した図である。

【図１７】「発電」機能に関する機能知識および展開知
識を示す図である。

【図１８】図１１に示す構成において、導き出された発
電機能の冗長系のＦＢＳダイアグラムを示す図である。

【図１９】図１１に示す構成において、「発電」機能を
スターティングモータを用いた機能冗長系で置換えた場
合におけるパラメータモデルを示す図である。

【図２０】電子写真複写機における画像形成機構の制御
構成を示す図である。

【図２１】図２０のコンピュータ３８における故障診断
およひ修復制御の概要を示すフローチャートである。

【図２２】説明の便宜上、単純化された帯電機能部のＦ
ＢＳダイアグラムを示す図である。

【図２３】感光体ドラムの帯電機能に関する知識および
展開知識の内容を示す図である。

【図２４】対象モデルの正常時における構造および現象
を説明する図である。

【図２５】対象モデルのメインチャージャが故障した場
合における転写チャージャにより主帯電現象を発現させ
た状態の構造および現象を示す図である。

【図２６】機能冗長系に転写チャージャが用いられた時
の対象モデルをＦＢＳダイアグラムで表わした図であ
る。

【図２７】複写機の画像形成機能に関し、インディビジ
ュアルおよびビューにおける起こり得る全ての現象の依
存関係を表わすディスプレイ表示例を示す図である。

【図２８】画像形成機構における正常時の定性的タイミ
ングチャートを示す図である。

【図２９】故障時における定性シーケンスの作成方法を
説明するための図である。

【図３０】故障時における定性シーケンスの作成方法を
説明するための図である。

【図３１】故障時における定性シーケンスの作成方法を
説明するための図である。

【図３２】画像形成機構における故障時の定性的タイミ
ングチャートを示す図である。

【符号の説明】

１１エンジン１２スイッチ１３バッテリ１５スターティングモータ１６クラッチ１９発電機２３コンピュータ３１感光体ドラム３３メインチャージャ３６転写チャージャ３８コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０４Ｎ 1/00 １０６Ｇ０３Ｇ 15/00 １１６ (56)参考文献特開平３−94338（ＪＰ，Ａ) 特開平２−305332（ＪＰ，Ａ) 特開平３−1266（ＪＰ，Ａ) 特開平３−273933（ＪＰ，Ａ) 特開平２−252971（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の機能発現手段を備え、各機能発現手
段は、それぞれが、予め定められている本来必要とされ
る機能を発現し得るものであり、上記複数の機能発現手段に関して、上記本来必要とされ
ている機能とは異なる、各機能発現手段が通常は発現し
ていないが潜在的に有する機能の有無とその内容とが予
めデータ化して記憶された記憶手段、いずれかの機能発現手段が予め定められている本来必要
とされる機能を発現しなくなったとき、その発現しなく
なった機能と代替できる機能を、前記記憶手段から検索
する検索手段、および検索手段により検索された潜在機能を必要に応じて発現
させる制御手段、を含むことを特徴とする機能冗長系を備えた機械システ
ム。