模糊 Petri 网在液压提升机液压系统诊断中的应用.pdf

2 0 1 5年 第 4 4 卷 第 6 期第 6 8页 石油 矿场 机械 0I L F I E LD E QUI P MENT 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 5 0 6 0 0 6 8 0 6 模糊 P e t r i 网在液压提升机液压系统诊断中的应用 方彪 ， 朱小 明 。 ， 杨丽红 1 ． 上海理工大学 机械工 程学 院， 上海 2 0 0 0 9 3 ； 2 ． 上海豪高机电科技有 限公 司， 上海 2 0 1 1 0 2 摘要 为 了提 高液压提升机 的 可靠性， 基 于液压 系统故 障的模糊 性特 点， 提 出了模糊 P e t r i网 F P N 与 矩 阵结合 的建模及推 理 方法 ， 将 P e t r i 网的理 论与模 糊 推 理规 则 有机 结合 在 一起 ， 采 用矩 阵解决复杂的推理过程 ， 具有 高效 准确地 并行推 理能力。通过 历史统计的故 障案例 ， 建立基 于 F P N的液压 系统的故障诊断模型， 利用此方法可以快速 、 准确地计算出各个库所的可信度 ， 并可以 对初 始 库所重要 度进行 分析 ， 大幅减 少诊 断 时 间。以液 压提 升机 的提 升 故 障为例 ， 验 证 了该算 法 的 正确 性和 高效性 。 关键 词 模 糊 P e t r i 网 ； 模 糊 产生规 则 ； 故 障诊 断 ； 液 压提 升机 中图分类 号 TE 9 2 3 文献标 识码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 4 2 ． 2 0 i 5 ． 0 6 ． 0 1 6 Ap pl i c a t i o n o f Fu z z y Pe t r i Ne t s i n Hy d r a u l i c Ho i s t s S y s t e m Fa u l t Di a g n o s i s FANG Bi a o ， ZH U Xi a o m i ng ， YANG Li ho ng 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， S h a n g h a i U n i v e r s i t y f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ， Ch i n a； 2 ． Ha o g a oM e c h a n i c a l Te c h n o l o g y S h a n g h a i Co ．， Lt d ． ， S h a n g h a i 2 0 1 1 0 2 ， Ch i n a 5 结论 1 通过比对超声波在有缺陷和无缺陷模型中 的 回波 信号 ， 证 明可 以通 过 超声 检 测 的方 法检 测 钻 杆 的缺 陷 。添加多 路信号 源 的模拟结 果表 明超 声波 在钻杆 传播 过程 中的相互 干涉 对检测 结果 不会 构成 影响 ， 验证了超声波钻杆接头检测方案的可行性 。 2 完成了超声波探头围绕钻杆 的阵列组合计 算 。依次设计了探头悬挂隔板 、 连杆 、 法兰式超声探 头、 探头夹持装置及弹簧导杆等 。提 出了超声波钻 杆接 头检测 装置 结构 设 计 方 案 ， 同试 验 室 现 有 在线 钻杆 漏磁检 测设 备实 现无缝装 配 、 功能互 补 ， 成 功地 实现了对钻杆的杆体和钻杆接头同时检测的 目标 。 为今后继续深入研究在线钻杆漏磁一 超声复合 检测 仪提供技术支撑 。 参考 文献 [ 1 ] 马义来 ， 林立 ， 谢新安 ， 等． 钻杆在线漏磁 检测系统 [ J ] 石油机械 ， 2 0 1 2 1 2 3 0 3 3 ． 蒋开 文 ， 林立 ， 马义来 ， 等． 钻杆在线漏磁探伤 系统探 头 静磁 力的数值模拟 l- J ] ． 石 油机 械 ， 2 0 1 3 1 1 3 2 3 5 ． 王晓华 ， 曾鸣 ， 王文 明， 等． 基 于连续油管 的超声 波管道 检测 装 置 设 计 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 1 3 ， 4 2 1 2 5 I - 5 4 ． 王永宏 ， 张玉英． 超声波探伤在钻杆加厚过渡带 检测 中 的应 用[ J ] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 1 9 3 9 5 ． 伍开松 ， 李明 ， 余长柏 ， 等． 受局部 内压管道外表 面周 向 应力 函 数 模 拟 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 2 4 2 44 ． 朱焕 刚 ， 张宝 ， 张慢 来． 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ul e s o f f uz z y r e a s o ni n g a nd s o l ve s t he c ompl e x r e a s o ni n g， whi c h c o ul d d o p a r a l l e l i nf e r e nc e e f f i c i e nt l y a nd e x a c t l y． The f uz z y Pe t r i ne t i n hyd r a ul i c s ys t e m f a ul t d i a g no s i s mo de l i ng wa s ba s e d o n hi s t o r i c a l s t a t i s t i c s f a i l ur e c as e ．I t d e mo ns t r a t e s t ha t t hi s t he o r y c o ul d a c c o mpl i s he d c a l c u l a t e t he c r e di bi l i t y o f i ni t i a l d a t a b a s e q ui c kl y a nd a c c u r a t e l y， be s i d e s t he m e t ho d a l s o r e d uc e d t he di a gn os i s t i me a f t e r a na l y z i ng t he i n i t i a l d a t a b a s e ． Fi n a l l y， a h yd r a ul i c h o i s t s s y s t e m wa s t a ke n a s t he e x a mpl e t o v a l i d a t e t h e c o r r e c t n e s s a n d e f f i c i e nc y o f pr o po s e d a p pr o a c h． Ke y wor d s f u z z y Pe t r i ne t s； f u z z y pr o du c t i on r ul e s ； f a u l t di a gn os i s； hy d r a ul i c h o i s t s 随着液压技术 的发展 ， 其在工程 机械、 工业设 备、 石油勘探、 石油钻采、 军工等行业得到 了广泛的 应用 。一旦其系统 出现故 障， 会危 及到整个设备 的 安全 ， 甚至是操作人员的人身安全。因此人们对液 压系统 的稳定性 、 可靠性 的要求越来越高 。然而液 压系统 中液压油在部件和管路 中的流动状况 ， 外界 是看不到的， 并且故障发生有异步并发的特点 ， 这就 给分析与诊断带来 了较大 的困难 ， 要求使用者具备 较 强 的判 断 和 分 析 故 障 的能 力 ， 从 而 能 在 机 械 、 电 气 、 液 压复 杂 的关 系 中找 出故 障部 位 和 原 因 ， 快 速 、 准确地排除故障。故障诊断专家们对此经过大量的 研究 ， 希望能够在元件动作 信息 和管路液流不可见 的状况下 ， 进行较为精确的故障诊断 。 液 压提 升机 _ 1 ] ， 又称 为液 压绞 车 ， 是 一个 典 型 的 集机、 电、 液 、 传感器一体化的产品， 广泛应用于矿山 开采 、 石油 开发 、 工程建 筑 与运输 等行 业 。随着 石油 工 业 的蓬勃 发展 ， 为其 提供 了广 阔 的应 用平 台 ， 液压 提升机 已成为钻机钻台、 储罐倒装 、 海洋石油平台升 降用的主要载物提升设备 ] 。为提高其液压 系统 的可靠性和稳定性， 以适应复杂的石油勘探 、 石油钻 采的应用环境， 需要对其系统进行故障检测和诊断。 当前运用人工专家系统 、 模糊理论和神经网络并行 的综合分析诊断 已经得到深入的研究 。但是这些技 术还存在局限性 ， 在诊断能力、 适用性 、 周期性、 实时 性 与经 验知识 获 取等方 面还 不尽 如人 意 。 F P N[ 4 ] 是一种能够解释系统的动态行为和结构 信息 ， 并能图形化地表达系统信息的网络模型 ， 基于 F P N 的模型可以描述许多并行和并发行为的故障 ， 它能够将知识表示和诊断推理融为一体 ， 完成从知 识描述到过程的诊断推理 ， 利用矩阵计 算即可快速 获得诊断结果 。特别适合于在线事件动态系统的建 模和推理[ 5 ] ， 并且已经被证明在 电力系统故障检测 以及 计算 机集 成制 造 中取 得 了很 好 的 效果 [ 8 。本 文针对液压提升机存在的一些 问题 ， 在 F P N现有的 理论方法和研究成果上 ， 对其建模和应用， 并进行探 讨。在此基础上 ， 引入库所 ， 托肯值和变迁规则的概 念 ， 并据此建立故障模型l_ 1 。其后在正向推理故障 传播 中 ， 对 故 障 的状 态 进行 快速 而 准 确 的 评 断 。在 逆 向推理 中， 利 用 了逆 向推理 策略 ， 实现 了验 证其 有 效性的要求 。 1 模糊 P e t r i 网应 用的理论基础 1 ． 1 F P N表 达规 则 F P N 是 由库所 P和 一 个 变 迁 T 所 产 生 ， 为 了 更明确的体现其库所的动态性 ， 使用一个 9元组来 表达其模型r l ， 因此将它定义为 F PN{ P， T， I ， O， K， L， J Il ， 口， } 其 中 P一{ P ， P。 ， ⋯ ， P 为库所 的故障集合 ； T 一 { ， T ， ⋯ ， T } 为变迁动作 的有限集合 ； I 0 T P 。 。 ， 是 输入 输 出 函数 ， 反 映变 库 所 输 入 输 出 映 射关系； K一{ K ， K ， ⋯， K } 表示托肯的有限集合 。 有 是 一 ； 一 ， ， ⋯ ， 为库 所 事件 P 模糊 故 障概率集合 ； 一 a ， d 。 ， ⋯， n ， 为故 障事 件 P 的置信度向量； 一 ， ， ⋯ ， 为变迁规则的阈 值集合。其 中 ， 表示变迁 t 点火的阈值 ， E 0 ， 1 ， J 一1 ， 2 ， 3 ， ⋯， m， 是由专家经验结合历史数据给 出； Ld i a g z ， z ， ⋯， ￡ 为变迁规则 的可信度矩 阵， 其 中 l ， 表示变量的可信度。z ， ∈ o ， 1 ， 一1 ， 2 ， 3， ⋯ ， m 。 1 ． 2 F P N表达 形 式 对于任意变迁 t 来说 ， 其所有输入库所的标记 值与相应的输出弧上的权值乘积之和要≥变迁 的阈 值 。因此在模糊产生系统 中， 用一棵与或树来概括 这种前提到结论的形式 。在每个产生系统 中都包括 大量 的与或 树 l_ 】 。模 糊 产 生式 规 则 的 图 形 表 示 形 式 如 图 1所示 石 油矿 场机 械 2 0 1 5年 6月 P P2 图 l 模糊规则的表示 P 1 ． 3 F P N的建模 方法 F P N模型采用置信度规则 即用模糊命题合 取式的真值来取各子式真值的最小值 ， 用模糊命题 的析取式来获取各子式真值的最大值 。并分为以下 2种 。 1 ． 3 ． 1 多因多果模式 I F Pn a n d Pf 2 a n d⋯ a n d P THE N P 。变 迁前真值不变， 则变迁后命题 P 的置信度为 a 一 mi n a f 1 ， d ， 2 ， ⋯ ， O ／ h。女 n 图 2 a 所示 。 1 ． 3 ． 2竞 争 模 式 I F Pn o r PJ 2 o r⋯ o r Ph THEN P CF Z 1 ， z ， ⋯ ， z 变迁前 提部 分 规 则 保持 不 变 ， 变 迁 后命 题 P 的置信 度如 图 2 b所示 a ma x { a 1 z 1 ， a 2z 2 ， ⋯ ， a Z } 。 a变迁触 发 多因对 多果 b变迁触 发 多 因对 单果 图 2 F P N与模糊产生式规则的相互对应关系 2 F P N在应用 中的推理算法 在 F P N诊 断系统 中常用正 向推理 ， 反 向推理 和 正反向混合推理 3种推理策略。本文采用了正向矩 阵推理 和反 向推理 的策 略 。 2 ． 1 正 向推理 运算 算子定 义 在 F P N模型的推理中， 为了清晰 、 准确 、 简洁表 示矩阵推 理运算 ， 定义 了两个特殊算 子m] 。定 义 A， B和 c都 为 mn维 矩阵 。 1 ④ cA④B， A， B和 c均为 m X n的矩 阵， 则 ma x ， b ， i 一 1 ， 2 ， ⋯ ， m， J 一1 ， 2 ， ⋯ ， z 。 2 CA B， A， B和 c分 别 为 mP ， P n ， mn的矩 阵 ， 则 C ma x { 口 b ， i 一 1 ， 2 ， ⋯ ， ， 一 1， 2， ⋯ ， 。 由于计 算 机 咨询 专 家 系统 有 良好 的推 理 能力 ， 在此理论基础上结合上述 的定 义算子可得置信度 公 式 口 抖 一 ④[ 0 L J o口 ] 1 式 中 一岛一 ， 岛一 1 ， 1 ， ⋯ ， 1 为 维 向量 。 表示事件 只 在第 k次推理时为假的置信度 。J T 为 m维向量， 表示 为假的可信度。由此可得推理 算法 ①令 k 0 ； ② 求得 1； ③若 ≠ ， 则令 k 一是 1 ， 重复步骤②， 若 口 抖 一 ， 则推理结束。 2 ． 2 基于 F P N 的反 向推理 的原理 基 于 F P N 的反 向推理集 合 的定义 是 可达库 所 集合 R S 库所 P 经过激活规则所能到达的所有 库所的集合 ； 立即可达库所集合 I RS 库所 P 经 过一 次变迁 就 能 到达 的库 所 P， 则 称 P， 是 P 的立 即可达集合 ， P 是 P，的反向立 即可达集合 反 向。 非立 即可达 库 所集 合 R I R S 定 义 跟立 即可 达 集 合 类似但是需要不止一次变迁 ； 相邻库所集合 AP 库所 P 经历同一变迁的所有库所的集合 。 反 向推 理是 先 由 目标故 障状 态 到找 出 目标 证据 的推理， 其主要思想是假设故障目标存在 ， 然后在库 所中查找支持假设故障的结论规则 ， 再验证该规则 的假设条件是否成立， 若前提能与 己知的故障信息 匹配并得到满足 ， 则假设成立， 否则 ， 把规则的前提 作为子 目标重复上述过程 ， 直到所有 的子 目标得到 证明为止。反向推理利用积累的维修经验值与正向 变迁点火值进行推理 。其优点是简单， 并有较 高的 准确率。但 是其 主要缺点是选择初始 目标 的盲 目 性L 1 。其步 骤如 下 ①建立库所 的可达库所集合 R S P ； 再设 置标 志数组 fl a g P ， 并将其初始化 为 0 ， 其 中 i 是变迁 和 库所的个数 。当诊断系统路的变迁阈值 变迁 触发 阈值 0 ． 5时 ， 则把对应的 f l a g P 置位为 0 。不 再遍 寻此 路径 。并从 第 1开始 继 续 比较 ； 并 把 能 触发 的底 时 间放 人立 即可 达库 所集合 I R S 中 。 ②根据所要诊断的故障， 当筛选出所有能触发 的事件后 ， 比较所有底事件 的路径把置信度大小 ， 从 置信度最大的开始寻找优先诊断顺序 ； 并把变迁超 过一次的放入非立即可达库所集合 R I R S ， 把变迁 路径 目标库所相同的放入相邻库所集合 AP 。 ③在立即可达库所上分析直至下溯到最小割集 的底事 件 ， 并 检验 其 是 否 为故 障源 ； 当 回答 为是 ， 即 表明故障找出， 推理结束。否则继续。 ④ 当③ 的路 径 被 排 除 后 则 置 位 为 0 ， 返 回步 骤 第 4 4卷第 6 期 方彪 ， 等 模糊 P e t r i 网在液压提升机液压系统诊断 中的应用 选择非立即可达路径， 直至找到故障源。 3在液压提升机 中的实例分析 3 ． 1 F P N模 型的 建立 运用模糊产生式规则 并基于历年售后故障 记录以及配合专家经验知识 ， 就能建立模糊产生式 规则的诊断知识 库。其液压 系统原理 图如 图 3所 示。把这些故障症状与原因汇总起来做成如表 1所 示的事件库所 。本文中分析的故障症状发生参数主 要来源是上海某机电有限公司参与设计的液压提升 载物 机在售 后维 修 的原始 累积 数据 。从 中按 照时 间 顺序得 出总故障次数及各个故障与伴生故障出现次 数 ， 其数据 片段如 表 2所示。图 4为对应 的 F P N 模 型 。 图 3液压提升机液压系统原理 p l p 2 p 3 p 4 p5 p 6 p 7 p 8 p 9 P l 3 Pl4 p 1 P l6 PIp I 8 Pl 9 P2 0 P2 图 4 液压提升系统 的 F P N模型 表 1 液压提升系统的 F P N模型 对应 事件 代号 事件 代号 事件 P 溢流阀失效 ， 回路压力小 P 先导控制手柄中位偏移 P 控制泵损坏 ， 压力不足 P s泵控回路压力打不开制动 P 。高压泵 中补油泵压力低 P s 制动液压缸卡堵 P 高压泵机械故障 P 制动 电磁阀卡堵 表 1 续 代号 事件 代号 事件 P s 高压 泵的伺服阀卡堵 P e 闸瓦磨损严重 P e 伺 服液压缸 卡堵 P 。 冷却器性能下降 P 高压泵磨损 ， 内泄漏大 P z o 冷 却水 温度过高 P s 马达磨损 ， 内泄漏大 P z 热油阀失 效 P 。 多功能 阀压力过低 P z z 泵 的中位有输 出 P 。 提升速度变慢 P z 。 液压制动失效 P 提升能力下降 P z 系统发热 P z 提升故障 Pz s 液压提升机故 障 P s 高压泵 中位偏移 表 2历史故障记录 代 号 囊 代 号 P比f例di P1 70 0 ．3 7 Pl 3 83 0． 4 6 P2 66 0 ．3 4 P1 4 71 0 ．3 7 P3 84 0 ． 46 P1 5 8 2 0 ．4 3 P4 72 0 ．3 8 P1 6 1 0 2 0．5 3 第 4 4 卷第 6 期 方彪 ， 等 模糊 P e t r i 网在液压提升机液压系统诊断 中的应用 由上表可知在可信度等级相 同的情况下 ， 通过 比较初始库所重要度可以得出工作人员检修的优先 顺序是从 P 开始 。 3 ． 3 反 向推理 当确定有故障现象发生时 ， 例如出现液压制动 失效 的故障时。引发库所 P 为最终 目标库所， 它 的路径为非立 即可达库所 R豫 s 的 P。 。 液压制动 失效 ， 即 P 一P 。 。由于对应的变迁 t 。 没有对应 的 托肯值因此继续向最小割集寻找。能触发 P 。 的路 径 有立 即可 达 库 所 豫 S 的 P P P P 即 泵控回路压力打不开制动阀 P 。 一P 、 制动液压缸 卡堵 P 。 一 P 、 制动电磁 阀卡堵 P 。 。 一 P 、 闸瓦磨 损 严重 P 。 一 P 。 。对 应 的变迁 置信度 为 口 Pl 5 一 0 ． 7 0， a P1 6 一 0 ． 7 5 ， a P1 7 一 0 ． 8 O ， a P1 8 一0 ． 7 5 触发的阈值分别为 P1 5 一 0 ． 6， P1 6 0 ．4 ， P1 7 一 0 ．5 ， P1 8 一0 ． 5 则 A P 。 不 被 触发 ， 置位 为 0并 归 集 到 f l a g P 中。其他 3条路径对应的可信度分别为 Z 1 5 0 ．9 2， Z 1 7 0． 9 6， Z 1 8 0 ． 9 0 分别计算 P 。 。 的模糊托肯值为 d 2 3 P1 5 一口 Pl 5 X Z 1 6 0 ． 7 0X0 ． 9 2 0 ． 6 4 d 2 3 P1 7 d P1 7 Z 1 7 0 ． 8 O0 ． 9 6 0 ． 7 7 a 2 3 Pl 8 一口 P1 8 Z 1 8 0 ． 7 50 ． 9 00 ． 6 7 5 通过比较得 出 P 为最优路径 ， 即优先寻 找制动 电磁 阀是 否 发 生故 障 ， 如 果 技术 人 员 按 照 此 路径检修并判断正是故障发生则推理结束。否则依 次选择 其他 立 即可 达路 径 ， 或 者 从 新选 择 非 立 即可 达库所直到找出故 障为止。 4 结 论 通过故障诊断的需求并结合 F P N的特点， 利用 图形方法与矩阵计算相结合的正反 向推理策略进行 在 线诊 断 ， 故 障判 断可 以准确 到液压 系 统 的元 部件 。 并通过某公司的售后故障处理记录从中选择的故障 实例来进行验证， 证明了该方法是一种 比较有效的 并能够帮助操作人员在液压系统应用过程中进行故 障检 测 的行之 有效 的方法 。在 推理 过程 中运 用 的程 序语 言算 法 ， 让 系 统 能根 据 故 障 发生 的历 史 统计 数 据来 自动分析各库所变迁 的概率 ， 使得诊断系统更 加智 能 。此外 ， 基 于 F P N 的液压 系 统诊 断技术 应用 研究相对较少 ， 本文将对其他的液压系统故障检测 与诊断的建模过程有一定的借鉴意义。 参考文献 [ 1 ] 朱小明 ， 孙骞 ， 杨丽 红． 液压提 升机 的工 作原 理及其 维 修[ J ] ． 流体传动与控制 ， 2 0 1 2 ， 5 3 4 4 2 4 4 ． [ 2 ] 富利波． MYQ2 5 0 0型 2 5 0 0 t 门式液压提 升系统在超 大 型设 备 吊装 中的 应用 [ J ] ． 石 油 化工 建 设 ， 2 0 1 3 1 3 3 3 9 ． [ 3 ] 杨世 平 ， 敖沛 ， 胡朝 刚． 液 压起升钻 机 同步系统 的设计 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 5 4 3 4 7 ． [ 4 ] 袁崇义． P e t r i 网的原 理与应用 [ M] ． 北京 电子 工业 出 版社 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ] 黄敏 ， 林啸 ， 侯 志文 ． 模糊故障 P e t r i 网建模 方法及其应 用 [ J ] ． 中南 大学 学报 ， 2 0 1 3 ， 4 4 1 2 0 8 2 1 5 ． [ 6 ] MUR AT A T． P e t r i - n e t s P r o p e r t i e s ， a n a l y s i s a n d a p p l i e a t i o n s [ J ] ．P r o c e e d o f t h e I E E E， 1 9 8 9 ， 7 7 4 54 1 5 8 O． [ 7 ] GU J u n ． A n a l y s i s o n A u t o mo b i l e e n g i n e f a i l u r e d i a g n o s i s b a s e d o n g e n e t i c a l g o r i t h m[ J ] ． Ad v a n c e d 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