（检测技术与自动化装置专业论文）基于模糊综合评判的磁浮列车故障诊断技术研究.pdf

霆鋈墼i 鍪垄查叁堂堑塞耋垄錾耋堂篁鎏塞 摘要 完善的故障诊断系统足保障磁浮列车安全可靠运行的前提。如何在列车运行发生多个 部件敬障时熊合理魂评价出整个期车系统发生故障的严重程度，是磁浮列车故障诊断系统 设计的目标之一，谯列车发生故障时如姆对故障进行失效分壤是故障诊叛系统磺究熬冀一 个目的。本文麓重在这两个方面对磁浮列车故障诊断系统进行了研究。 在列车发生多个部件故障时，本文采用了模糊综合评刿方法来评判列车系统故障的严 重程度。首先对影响列车系统故障粒各萃申部 牛故障进行了重要度分捱，确定了部件数障因 素与列车系统故障级别的模糊隶属关系，然后采用多层次评判模型对系统故障严重程度进 行评判，最霜通过数学仿_ 冀，验诞了模型的合理往。 针对悬浮系统秘电源系统鲶可靠蠛问题，本文采鼹敷障挝分凝法怼其进行了失效分 析，研究了各部件在系统中的重攒度，并对关键部件的可靠性程度提出了要求。 此井，结合故淹诊断系统在p l c 硬件平台上的实现问题，本文还对p l c 的自诊断技 术、缱网技术以及车辆自邋应编鳃技术进行了粉究。 莱键词：磁浮到车禳糊综食评判可靠性故障诊断故辕树w 编程控制器 自适藏缡组 a b s t r a c t ap e r f e c tf a u l t d i a g n o s t i cs y s t e m i st h ep r e c o n d i t i o nt og u a r a n t e et h e r e li a b ni t ya n ds a f e t yo fm a g l e vt r a i n w h e nf a u l t sa r ew l t hm a n yc o m p o n e n t si n t r a i n ，o n eo fg o a lt od e s i g nf a u l td i a g n o s t i cs y s t e mish o wt oe v a l u a t et h es e v e r i t y d e g r e et of a u l t s w i t ht h ew h o l et r a i nr e a s o n a b l y a n da n o t h e rg o a li sh o wt oa n a l y s e f o u l t so c c u r r e da n df i n dt h ef u n d a m e n t a lr e a s o n sw h i c hr e s u l ti nt h ef a u l t s s t u d y o nf a u l td i a g n o s t i cs y s t e mo fm a 9 1 e vt r a i ni sc o n d u c t e di nt h i sp a p e r ，w h i e hm a i n l y d is c u s s e sf o u lt d i a g n o s t i ct e c h n o l o g yc e n t e r i n go n t h e s et w oa s p e c t s w h e nf a u l t sw i t hm a n yp a r t si nt r a i no c c u r ，f u z z yc o m p r e h e n s i v em e t h o di s p r e s e n t e dt oe v a l u a t et h eg r a v e n e s sd e g r e et of a u l t sw jt ht h ew h o l et r a i ni nt h is p a p e r f ir s t l yf a u l t sw i t hv a r i o u sp a r t s i nt r a i na r ea n a l y s e d ，a n ds u b j e c t i o n r e l a t i o n sb e t w e e nc a u s e s e ta n de f f e c t s e ta r es e t t l e d ，t h u st h eg r a v e n e s sd e g r e e t of a u l t s w i t ht h ew h o l et r a i nc a nb ee g t i m a t e db yam u l t i l a y e rc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm o d e lb u i l ti nt h i sp a p e r f i n a l l ys i m u l a t i o no ft h em o d e l b u i l to n c o m p u t e r ss h o w s it sr e a s o n a b i1it y a i m i n ga t t h er e l i a b i l i t yo fs u s p e n s i o ns u b s y s t e ma n dp o w e rs u b s y s t e m ，f o u l t t f e ea n a l y s i si sa d o p t e dt os o l v ei t 1 m p o r l a n c ed e g r e e st ov a r i o u sp a r t si nt h e s e t w os u b s y s t e m sa r es t u d i e d ，a n ds o m er e q u i r e m e n t sf o rt h er e l i a b i l i t yo fk e yp a r t s a r ep u tf o r w a r d b e s i d e s ，r e l a t e dt or e a li z a t i o no ft h em o d e io nh a r d w a r ep l a t f o r mo fp r o g r a m m e 1 0 9 i c a lc o n t r o l l e r ( p l c ) ，t e c h n o l o g i e sa b o u ts e l f - d i a g n o s i s o np l c ，t e c h n o l o g i e s a b o u tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o no np l c ，a n dt e c h n o l o g i e sa b o u t s e l fa d a p t i n g t o v e h ic l eg r o u p sa r ea l lg i v e ni nt h i sp a p e r k e y w o r d s d ia g n e s is m a g i e v t r a f a u l tt r o e n f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a i u a t i o n ，r e ii a b ii i t y ，f a u i t p r o g r a m m ei o g i c a i c e n t r e ii e y s e i f - a d a p t i n gt og r o u p s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，电不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：醚塑绫佥丑判鲍垡i 量! 奎垫睦垒逝垫垄盟巍 学位论文作者签名： 显丝! 鳞 日期：卯年，f 月勿日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国肪科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家确关部门或机构送交论文的复印件和电子 又档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 厍进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论又题目：奎立篮扭堡垒塑判煎壁星! 奎邀隍途堑遮苤盟童 学位论文作者签名： 显i 21 翻日期：加0 2 年，月l 口日 作者指导教师签名： 2 豇蕴羝日期：2 。2 ，年、j 月弘日 国防科学技术大学 学位论文保密审查表 姓名吕治国申请学科。妒业 检测技术与自动化装爱 学号0 0 3 5 0 2 3学婉论文癸型l j 博j 学惩论文黯7 颈 j 学侮论文 ￥位论文题目基于模糊综合评判的碰浮列车故障诊断技术研究 传论文阻题i ，h 究所在单位国防科技大学机电工程与自动化学院 论文造番涉密及理由： 本人学位论文主要对c m s - 3 型磁悬浮列车自动检测与故障诊断系统进行了研究。论丈 内容没有涉及到型号曝密和援求保密酌内容， 件行( 签章) ：昌萝苗i 虱 2 0 0 2 4 ：1 lm 15 h 无保秀案末 艄狮( ：位砀 z 年l f 砑j h 、引论文谍题研究所住单位( 保密委员会j 审定慈址： + ：& 学他诊文定乃：口可交流口秘崭口* i 誉口绝密 保管敲! j 限为：印爿 单f o 薷革甲仃( 保密委员会) 领导( 签章1 ： 年刘 ；f ：l 、 j 注榍施的“日”内鞠“”： 2 、住我校避 r 嫖必研究肴，其学位沦支学饺的指导数| | | j 羊系( 部) 保密蚕城会审a ： k 拒讣孽弘进 ；援题研寅彳芎，箕学持沦文渤曝题所茳擎侮昀协渤指导人觉蔫l 警 i 艨 南委员会砰i 布没“协助指导人员的，由( f j 深题负责人审商；术班保密委员会机构的 i 1 单位f # 定。 垦堕型堂堡垄奎堂堑蜜篁堕堡耋耋堡垒塞 第一章绪论 1 1 故障诊断技术的研究现状 故障诊断是根据设备运行状态信息查找故障源，并确定相应决策的一门综合性学科。 故障诊断学自6 0 年代初问世以来，经历了3 0 多年的发展，已取得了可喜的进展。从对故 障机理的研究，以信号分析技术为基础的诊断方法研究到现今以知识处理为基础的智能诊 断系统研究，特别是近年来迅速兴起的模糊诊断和神经网络诊断技术在工程实际中的应 用，都取得了相当可观的成果。总的说来，故障检测与诊断的方法可以分为两大类： 1 基于系统动态模型的诊断方法 这类系统主要包括线性系统和非线性系统，其诊断的思想是，将系统用动态模型描 述，利用观测器或滤波器对系统的状念或参数进行重构，并构成参差序列，然后采用些 措施来增强参差序列中所包含的故障信息，抑制模型误差等非故障信息，通过对参差序列 的统计分析就可以检测出故障发生否，并以此进行故障诊断。 2 不依赖于系统动态模型的诊断方法 ( 1 ) 直接测量系统的输入输出。直接检测系统的输出信号y ( t ) 是否在其难常范围 f y 。y 。】，若y ( t ) 突破此范围，则故障发生。 ( 2 ) 基于因果关系的信号处理方法。根据系统的某些输出特征( 如幅值、相位或频 谱) 与故障源之间存在一定的因果关系，检测系统根据输出信号特征柬判断是否发生故障。 ( 3 ) 基于专家系统的故障诊断方法。事先根据专家经验建立系统的规则库，然后知 t 库在线检测系统状态，诊断系统通过知识库和规则库对推理机的输入进行离线诊断。 ( 4 ) 基于故障树的诊断方法。前提是将故障现象与故障原因链索构成故障树，当故 障发生时，诊断系统从叶子节点通过启发式搜索故障树查出故障原因。 ( 5 ) 基于模式识别的诊断方法。检测系统在线检测系统故障模式向量，提取出特征 向量，由判别函数束识别故障发生否。 ( 6 ) 基于模糊数学的诊断方法。在线检测系统故障因素状态值，根据故障因素集与 故障评价集之间模糊方程计算故障评价集的模糊度，按照某种判别法则确定系统所发生故 障的级别。 ( 7 ) 基于人工神经源网络的诊断方法。首先，选择能够反映控制系统动态特性、建 模误差和干扰特性的变量作为神经元输入变量，并人为规定网络的输出变量值；其次，选 择适当类型的神经元网络；再次，根据所选择的输入输出信号历史数掘，对神经元网络进 行自学习；最后，将新的反映控制系统动态特性的输入信号作用于神经元网络，网络的输 出值超过阀值，便可认为系统发生故障。 从当甜故障诊断学的理论发展趋势来看，故障渗断学已不局限于某一学科领域，它已 应用剑自然科学的各个学科，涉及最多的学科有高等数学和现代数学的各个分支，电子计 垦堕墼耋丝垄叁耋堡垒尘堕堡圭堂堡鎏塞 算机计算方法，物理学中的热学、光学和声学、力学以及化学等。从故障诊断方法的发展 动向来看，诊断技术方法的应用因诊断目的和诊断对象的不同而不同，越来越多的系统采 用多种方法相综合的诊断技术来提高确诊率。从诊断装置的发展动向束看，诊断装嚣分为 便携式简易诊断装簧和在线检测精密诊断装置两大类，另外，智能诊断系统也是大型装备 系统故障诊断发展的方向。从国内外的研究现状来看，我国在监测与诊断技术方面，理论 上已接近世界水平，但应用技术方面差距较大。 1 2 磁浮列车故障诊断系统概述 磁浮列车是一种新型的轨道交通工具，它环抱轨道运行但又与轨道没有机械接触，通 过主动控制的电磁铁来完成支承和导向功能，在直线电机的推进下高速运行，与一般的常 规轮轨列车相比，磁浮列车是一种动力完全分散的运输系统，即一列车中每辆车都是动车， 并且每辆车的电气设备相当分散，也相对较多，且各设备之间耦合性强，系统较复杂。随 着磁浮列车技术研究的进一步发展，特别是考虑到实际运行时的安全可靠性需要，有必要 在磁浮列车上实现对列车系统的故障诊断。磁浮列车系统的故障诊断主要是通过对车载电 气设备的工况和故障信号进行监测，并对所发生的故障进行综合评判，评判出列车系统发 生故障的严重程度，以避免运输事故的发生，保障磁浮列车的安全可靠运行。 1 2 1 磁浮列车故障诊断系统总要求 故障诊断系统通过监测列车运行信号以及车载电气设备状态，完成对列车系统的故障 珍断。因此，必须具有以下功能： l 、运行信号监测功能 监测磁浮列车运行的实时速度、驾驶的速度曲线和加减速度，并根据运行的位置 提示列车的最高限速； 监测到站距离、运行方向： 监测驾驶员操作的命令( 如向前或向后、牵引或制动、机械刹车、紧急制动操作 等) 。 监测与运行有关的关键设备状态。 记录和显示运行过程中的操作信息和报警信息。 通过语音方式提示操作信息和车况 通过以上措施，从而实现磁浮列车的安全运行。 2 、车载电气设备监测功能 主要完成对以下设备的工作状态、故障信息的检测和记录( 以一列车三辆编组为 例) ： 3 1 6 台悬浮控制器； 3 x l 台牵引逆变器： 3 x 1 台2 4 0 v d c d c 变换器及备用电池： 第2 页 里堕型童丝垄叁耋堡窒尘堡堡圭耋堡婆塞 3 l 台1 1 0 v d c d c 变换器及备用电池； 3 l 台辅助逆变器以及其它辅助电源的工作状念； 对制动和二次系所用的空气压力等关键数据进行检测； 该系统功能主要是确定车辆设备是否正常运行，如发生故障则须对故障准确定位，并 报故障诊断系统进行处理。 3 、故障诊断功能 故障诊断系统要求在列车运行或调试发生故障时能够及时地对故障进行报警，并根据 模糊综合评判模型对列车发生故障的严重程度进行分析定级，同时通过显示屏提示驾驶员 采取必要的措施来制止故障进一步扩大。因此诊断系统必须具备如下功能： ( i ) 通过对列车运行设备状态在线检测，以获得诊断模块所需要的输入数据。 ( 2 ) 对所发生的故障进行分析和定级，在实现时采取模糊综合评估算法进行诊断。 ( 3 ) 在列车发生故障时可以通过显示屏闪烁和语音提示两种方式进行报警，以提示驾驶 员采取必要的措施。 ( 4 ) 对所检测的设备故障状态给以记录，并能根据历史记录绘出检测设备的故障状态曲 线，以便对设备和系统的可靠性进行分析。 1 2 2 磁浮列车故障诊断系统总体结构 c a n 拄剖器1 利能设备 j 监删与il 避 r 啦测群 他障诊断群ll 中央摔制单几 ( c c u 首午) a t p 系绒 r ( 系统 a t p 最缆 t ( ) 系统 列下总线( w t b ) j ；o 监测与fl 返| j 监测坍 般5 ；i i 啥断屏ll 中央摔制甲j l ( c c u ，尾午) 下辆抟! 制单“ ( v c u ，首下) 胜1l 料能 议备ii 世备 午辆箝! 制单“ ( v c u ，中下) 。般 l 杆能 设备if 址备 卞辆拄制单n ( v c u ，尾卞) 般jj 钾能 址备il 址备 幽】1 州乍故障诊断系统结构幽 故障诊断系统是磁浮列车系统的重要组成部分，它主要实现对列车设备的状态监测和 故障渗断。整列车自动监测系统与故障诊断结构框图如图1 1 所示( 假设车辆级监测计算 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 机和列车纵监测计算机选用西门子的s 7 3 0 0 系列的p l c ) ，目前为八达岭设计的磁浮列车 组由三辆车组成，分别为首车、中刚车和尾车，首车和尾车均配有液晶显示屏用于显示监 测设备运行的状态和故障诊断结果，备辆车的车辆级监测计算机与首尾车列车级监测计算 机通过现场总线进行数据通信，实现车载检测设备状念的发送和接收，最后首车和尾车的 列车级监测计算机对整列车系统进行监测和故障诊断，并将诊断结果送往液晶显示屏显 示、记录和报警。若诊断出列车发生故障，则要求给以报警，同时提示驾驶员采取必要的 措施对故障做出决策。 1 2 3 磁浮列车系统故障诊断方法的选用 由于磁浮列车系统的复杂性，很难建立整个列车系统的动态模型，所以磁浮列车系统 的故障诊断采用不依赖动态模型的诊断方法。另外，列车故障诊断系统的目的之是评判 出列车系统发生故障的严重程度，而直接测量输入输出信号和信号因果分析法主要适合于 对单个或一组具体信号的故障诊断；基于故障树方法的故障诊断一般用于当故障发生时来 探究故障的原因；基于神经网络的故障诊断方法需要大量的故障样本数据对网络进行学习 训练，而且很难对大型的系统建立合适的学习网络。因此，这些方法都不适合于磁浮列车 系统的故障诊断。而模糊综合评判模型正是将多种评判因素综合考虑，适合于对系统故障 的综合评判，而且德国西门子公司研制的广州地铁和我国新一代电子机车的故障诊断系统 部采用了模糊综合评判的方法对列车系统进行故障评判。基于以上考虑，本文对磁浮列车 系统故障的诊断采用模糊综合评判方法。 1 3 本文的主要内容和工作 1 主要内容 本文以c m s 一3 型中低速磁浮列车研制为课题背景，将模糊理论和故障诊断技术相结 合，在建立列车故障诊断硬件平台的基础上，较系统地讲述了磁浮列车故障诊断系统的实 现过程，并对悬浮系统和电源系统的可靠性作了分析。全文内容组织安排如下： ( 1 ) 第一章，绪论：综述了故障诊断技术的研究现状和发展趋势，给出了磁浮列车 故障诊断系统的总体设计结构图； ( 2 ) 第二章，模糊综合评判方法的建模原理：讲述了单层和多层模糊综合评判方法 的评判过程，列举了五种常见综合评判模型，分析了适合磁浮列车系统故障综 合评判的评判模型。 ( 3 ) 第三章，磁浮列车系统故障综合评判模型的建立：在对磁浮列车监测系统分析 的基础上，划分了故障因素集和评判集表，建立了列车系统故障的三层模糊综 合评判模型。通过对操作面板上的故障模拟和评判，对所建的模型进行了仿真， 取得了合理的结果。 ( 4 ) 第四章，磁浮列车故障诊断系统的软硬件设计和实现：阐述了列车故障珍断系 里堕型堂垫垄叁兰堡垒尘堕堡圭堂堡垒塞 统的硬件和软件设计方案；针对故障诊断系统在硬件p l c 平台上的实现问题， 研究了p l c 的故障自诊断技术，p l c 的组网技术以及车辆自适应编组技术；讲 述了模糊综合评判模型在p l c 上的软件设计和实现过程。 ( 5 ) 第五章，列车悬浮系统和电源系统的可靠性分析：应用f t a 技术，分析出了悬 浮系统和电源系统的关键部件，提出了提高系统可靠性设计的改进措旌。 ( 6 ) 第六章，结束语：分析了列车系统故障综合评判模型的不足之处，对列车故障 诊断系统的进一步研究作了展望。 2 主要工作 ( 1 )根据磁浮列车故障诊断系统的设计要求，建立了列车自动监测系统。 ( 2 ) 在对磁浮列车系统了解和分析的基础上，应用模糊综合评判方法建立了磁浮列 车系统故障的综合评判模型。 ( 3 ) 对所建的综合评判模型，应用m a t l a b 工具对其进行了仿真计算，验证了列车 系统故障综合评判模型的合理性。 ( 4 ) 针对磁浮列车故障诊断系统的实现问题，研究了p l c 故障自诊断技术、组网技 术和车辆自适应编组技术。 ( 5 ) 对c m s 一3 型中低速磁浮列车电源系统和悬浮系统的可靠性作了分析，研究了各 子部件对系统的重要程度，为改进系统设计提供了参考。 第5 贾 第二章模糊综合评判方法的建模潦理 由第一章分析知，磁浮列车故障诊断系统骚求在列车发生故障时必须能够对系统故障 遴萼亍定经势掰，帮浮鼗出捌车系绕发生敬障酶缀剐。褥影响列车运彳亍的因素穰多，而且这 些因素对系统的影响程度典有一定的不确定性，建立精确的数学模型进行系统故障诊断很 闲难。为此，需要对影确翻车系统运行酌各种戳素使糯模糊疆论进行综合评判，确定出系 统故障的定性级别。本章主要介纲模糊综合评判方法的建模原理，并分析出适合磁浮列车 系统故障诊断的模糊综合评翔模激。 2 1 单层次模糊综合评判粳型 所谓模糊综合评判，建对具窍多穆藤性鲍攀物，或者谠其总体优劣受多秘爨素影避遗的 事物，作出一个能台理地综合这蟪属性绒因素的总体评判。例如，评价磁浮列车系统发生 故障数严重程痊，因为整攀系统赦障的严重程发受缀多因素豹影酸，车上戆菜一设备发璺三 故障，可能会对系统造成致命的停车故障，也可能不影响列车的运行。因此，如何对磁浮 罗l 车上设备蕊发，羔翡故障飨鞋合疆戆译价，确定密残车发生放障静严重稔度，需要雳模颧 数学的方法解决这一问题。同时，只有了解各因素在系统中的重要粳度，建立合理的数学 模鍪，l 能对这些萄素综合评潮，作出合理的评价结渠。另一方面，模糊综合评刿得出的 结论是明确的，是农一定的隶属艘上反映了事物属性的类别，如综会评判一个学生的学习 成绩，评语集分优秀、良好、中、及格相差五类。若菜学生的成绩经模型综合评判得到评 价结繁b 。f o 1 ，0 6 5 ，0 1 5 ，0 0 5 ，0 0 5 ) ，裂该学生戏续在索藩度0 6 5 上瘸于馥鲟，萁结论楚明 确的。囡此，用模糊数学的方法评判磁浮列车系统发，土故障的严重程度是可行的。 2 1 1 模糊评判模型的罄本概念 浮判毽豢集u = 溉，嚣：，u 。 掰毒影嚷评刿鼹象缝采静因素u ，嶷合。镶翔，a t o 馥障， 悬浮系统故障，车f 故障等圆素构成对列车系统故障评刿魄鼠豢集 a t o 故酶， 悬浮系统故障，车门故障， 。 - l 乎判等缴集v = v ；，p ：v 。 评判绘聚鬏爨簇傣婺隶掰鲻分豹洋徐等缀共n t 缀。铡鲡， 评判结果列车系统故障划分免三个级剐，v * 轻微牧障，一般故障，严重故障 。 单因素评判矩阵r f ( u y ) 霆堕墼鬈垄篓i i 兰堑冀点堡堡耋至篁鎏塞 蚌咚 爱= f ( uj ) f ( u 2 ) f ( u 。) 材i “2 _ i_ 2 。 r 2 11 2 2 r 2 m r f ( u x y 装示u 剡y 蛉摸凝关系，其中f ( u ： 表示对嚣豢“；进撑评徐赞褥到谬份 结果，丽勺袭示对融素集中“，匾索进行评价，评价结果在评馀集v ，等级上的份额。 。权重集尽2 口t ，d ：，d 。 表示因素集中各评判因索所占的权莺比，且权重集中各元素 满足归化条件馥，= l 。 f = i “。”合成运算褥 袭示按照广义模糊“与”秘广义模糊“或”运算进行怒阵阃鲍操 作符。 “t ” 广义模襁“与”运算具体含义褫不同的评翔模墅箍定，蠢可垂定义。 “+ ” 广。义模糊“绒”运算其体含义撬不阁懿谤粼模型露定，瞧露叁定义。 评判结果b = 趣b 2 。k ) 表示对各因素缀合评价所得的结果。 综合评判空间( u ，v ，r ) 表示对整个评判系统描述的数学术语。 2 1 2 模糊评判模型评价过程 模糊综合浮翔禳登如下： 蒯2 1单层模糊综合评判模玳 在上述评翔模型中a 是各因素豹投重分醚，鼷谮判结巢为： b * a 。霞f ( v ) ( 2 - 1 ) 综合评刿结暴8 是v 上的模糨集，般蹋以下方法柬确定详粼结粜。 表2 - l诊断结粟瀚表示方法 对照后的诊断结聚皂2 ( 熟，6 z b 。) 确定故障级别方法 最人隶属度原则法 若6 ，o = m a x6 ，则选第j o 评价等级为综台评判结果 ， 对b = ( b 。，6 2 b m ) 进行门一化处理得到： 旗獭分布法 b 。( 6 1 ，b 2 。瓦) 表示m 个评价等级所山的卣分比 加权平均法以各评判等级v ，的隶属度b ，为权系数，取各v ，的 加税平均氆作为评潮结莱： 热疑乎均法 气* b ，v ，往潮瓣须褥谮徐集v 中麓备元素鼙纯。 ，= 】j = i 2 。2 多艨次模糊综合评判模型 在实黼应罴模糊综合评翔穰壅时常常会遣羁一蓬淘遴，可罄纳为魏下两类。类是当 涉及的因素较多时，权煎不易分配，每一个因素的权重分爨都很少，使得单因索评价矩阵 冠在合成运算中作用减弱乃至不起作用，从而导致评价结果不易分辨。另一类问题是在合 成运算中采用扎德( v ) 运算，这种运算强调了主阂素作用，但会丢失一些其它次要因素 斡信慧，在某些场台下缓褥评徐结果不准礁。为了建立较好豹浮裁模鼙，一黢在实繇中鬻 采用多层次模糊综合评判模型和广义合成运算的模糊综合评判模型。 2 2 1 多瑟模襁综合弹裁模羹豹译判过程 现以两层评判模型为例来说明多胺评判模型的评判过程。下图是两层评判模型圈。 囊巧( u 1 ) 爿2 毛( u 2 ) 4 并( 酗) i o ir 致u ” 幽2 2 两层模糊综台评判模型评判过聪 如i 二湖所示，设u 为评判因素集，设矿= v 。，v 2 v 。) 为评价簿级集。设将u 中的因素 _ _ “* _ _ _ _ h m - _ _ _ _ - _ _ _ - - 。h _ _ - _ ，_ _ _ h _ _ _ _ _ 。_ h _ _ 。- - _ _ 自_ ，# 。_ _ - _ _ ，_ 十_ i ，_ h _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ h _ _ 一一 豢8 赘6 垦堕墼黧堡垄叁童堑蚕丝堡堡童童堡鎏塞 分为缀： 乏，= u ，u 一己，j ，著满是u = ，且当i j 时，移：q u ，。妒。 对于每个u 。有 u ，= “l l ，蚱2 ，“，( 。) ) 其中f ( ”) 表示第i 组因素集所含的豳索个数。 阂此，u 为商层( 第层) 因素集，u ，( i = 1 , 2 ，) 为低层( 笫二层) 因素集。 。，4 ：n ，a 分剐为隶璃于第二层因素集q ，u 2 ，u ，的权重鬃，_ 为第一瑶因素豢u 的权重 集，含7 卞元索。冀表示第二瑟鬻素集秒，与评价集y 闻的隶满关系，鄹群潮过程如下： ( 1 ) 在袋羝瑟 壹裂最蕊瀑为止，霞霹评判爨最终缀象。 2 2 2 多屡综合评判模型与单屡综合评判模型的比较 一_ - _ _ _ _ _ _ 。_ - ，_ _ _ _ _ _ - _ 。_ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ h - - 。h 。_ _ _ * _ _ _ 。_ _ _ _ _ ，_ _ - _ _ _ _ _ _ h _ - _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ ，- _ _ _ u _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - 一 第9 蕊 一!旦堕丝堂焦垄塑耋生i壁亟：量位诠塞 例1 ：a = ( o 3 ，0 2 5 ，0 2 5 ，0 1 , 0 r o4030 3 l o30 50 2 r = l0 2060 2 l 0010 9 100 20 8 1 ) ，使用m ( a ，v ) 模型进行评判( 见表2 - 2 ) r ( o 3 o4 ) v ( o 2 5 a o3 ) v ( o 2 5 a o 2 a o r = l ( 0 3 a 0 3 ) v ( o2 5 a 0 5 ) v ( o2 5 a 0 6 i ( 0 3 a 0 3 ) v ( o2 5 0 2 ) v ( o 2 5 a 0 2 【03 0 3 0 3 ) a 0 0 ) v ( 01 a oo ) 、 a 01 ) v ( 0 ia 0 2 ) l a 0 9 ) v ( 0ia 08 ) j 从合成运算结果可以看出各评价结果等级均为0 3 ，这使评价结果无法分辨。原因是 权重集中的因素过多，使得u 主因素的权重分量0 3 过小，在合成运算中使得f ( u ，) 评价 结果向量不起作用。再看下面的例子，将例l 中的因素划分为三类a i ，a ：和a ，权重分配如 下 例2 ： a = ( 4 ，a 2 , a 3 ) = ( 0 5 ，0 3 ，0 2 ) ，而且 a = 1 ，a 2 = ( 0 5 ，0 5 ) ，a 3 = ( 0 5 ，0 5 ) r 、= c 。一，。s ，。，孕= ( ：i ：i ，o = ( ：； ( 1 ) 在第二层上综合评判 ( 2 ) 计算第一层的模糊评判矩阵 b 1 = a lo r 】= ( 04 ，03 ，0 3 ) b 2 = a 2 。r 2 = ( 0 3 ，05 0 2 ) b 3 = a 3 0 r 3 = ( 0 , 01 , 05 ) f b 1f o 4o3o3 r = l 度卜旧0 5 l l 扈1 l oo - o s j ( 3 ) 在第一层上综合评判 b = a o r = ( 04 ，03 ，03 ) v v v l | _ | 于多层评判模型可以使得主导因素的权重比增大，有利于综合评判出主次因素对系 统的影响，易于评判结果的区分，从例l 和例2 的比较也可以看出这一点。因此，当评判 对象的因素较多，又希望能突出主导因素对评判对象的影响时，一般选用多层次综合评判 模型进行评判。 2 3 常见的模糊综合评判模型分析和比较 理论上，广义模糊合成运算随“与”和“或”运算含义定义不同有无穷多种，但在 实际应用中常见的模型有五种，现对其一一说明如下。 2 3 1 五种常见综合评判模型介绍 模型1 m ( a ，v ) ，即用八代替+ ，v 代替：( 参考2 1 1 基本概念) 。所以 b 2 羔，( q “) ，= l 2 ， ( 2 4 ) 式中和v 分别表示取小( m i n ) 和取大( m a x ) 运算，即： b ，= m “【m i n ( a 1 ，n ，) ，m i n ( a 2 ，r 2 a ，m i n ( a 。，) 】 在此模型中，因素虬的评价对评语等级v ，的隶属度，被调整为 r ：= d ? r 1 = m i n ( a 一。| 、， i “2 m 分析：“八”运算符的意义表示保守地估计因素虬与评语等级v 间的模糊隶属度； “v ”运算符的含义表示仅考虑导致该评语等级发生的主要因素，而忽略了其他次要因素 对该评语等级的贡献。因此该模型是一种“主故障决定型”的综合评判模型。 模型2m ( ，v ) ，即用 代替，v 代替：，所以 6 2 ，( 口一) j 2 l 2 ( 2 5 ) 式中“ ”表示普通实用乘法，“v ”为取大( m a x ) 运算，即： b i 2 m a x ( a i v t ，a 2 r 2 ，a n r 口| 、 分析：由2 5 式知，评判的结果6 ，综合了各因素的权重。和隶属度_ ，但出于6 ，最 后的取值结果偏向于主导因素的作用( 主导因素的权值较大) ，因此该模型是一种“主故 障突出型”的综合评判模型。 模型3m ( 八，o ) ，即用八代替，用。代替：，于是 b ，= 。d ，“ = l 2 m ( 2 6 ) 垦堕墅冀婆垄叁耋堑蜜垄堡墅耋至笪遭塞= = = = = = = ：= * = 一 式中“a ”表示敬夸( 孺j n 运髯，有器舞子镣定义为 球。声= m i 跹l ，g + 芦) ( 2 7 ) 所以( 2 - 6 ) 式变为 6 = m i n l l ，m i n ( a i , ) 】 分析：由上式可知，评判结果综合考虑了各因索的影响，而且要求a ，适合于单 层评估模型，属于一种“圭故障突出塑”的综合评判模型。 模鍪4 ( $ ，辔) ，鞠蕊 代替+ ，褥囝代替；，予是 咿奄窆a 而 川玉，w ( 2 书) 式中女袭示普透实鼗莱运算，有葬算子$ 定义黼( 2 8 ) 式，濒以 b ，= m i # l ，z o , 气1 分橱：该模黧与骥羹3 有穗 薮之楚，只是在评价结梁对嗣吼，顼代替了m i n q ，) ， 综台考虑了务评价强素的影瞬，因为投重集袤夏了基因素黪捃对懿要牲程度，在译徐对要 满足归一化条件，即宝岛：l 。特蹦指如的是，出于芝或勺 l ，爨此该模型实际上蜕化淹 ( 。+ ) ，“+ ，代袭簧通的实数旭法运转。因此，该模型属于一琴申“加权平均型”综台评 判模型。 模登5 醚( 筘，a ) ，霹溺藩暹静桑幂 弋替 ，精a 代替；运算，予怒 b ： = ，m (29)j 1,2b1 , 2= 5j = 一m l 扩。 扭l 其中疗代表乘幂，八为取小( m i n ) 运算，所以 b ，= m i n 嘴，嚼，, o i 4 ) 分馥：浚模蘩中或稻矗已不秀必瓣瑟定义瓣鬟耍凄秘隶疆发窘义，蔼爱慕耪特定鹤 评判指标，且要求最后的评判结果取最小者为最佳，属于一静比较特豫蛉评判模型。 2 3 。2 矗种常霓浮判模型款适鼹范匿分摄 一， 国堕型堂熊莶厶：量婴塞生医亟：量位迨塞 表2 - 2 五种常见的评判模犁 模刑代号运算符的含义适川范罔 “ ”表示j 义模特征：主故障决定l ! 综合评判。 糊“与”，定义为取小适用于故障冈素较少，强调主导 ( 1 ) m ( ，v )( m i n ) 运算。冈素起作用的评判模型。 “v ”表示广义模 糊“或”，定义为取人 ( m r v 。) 运算。 “”表示。义模糊特征：土故障突出型综合评判。 “与”，定义为普通乘法适h j 丁i 模1 4 ( 1 ) 分析火效时，突出 运算。土要故障，义兼顾其他故障的评判模 t 2 ) m ( + ，v )“v ”表示r _ 义模 艰。 糊“或”，定义为取人 ( m a x ) 运算。 ( 3 ) m f 八o1特征：主故障突出刑综合评判。 州 代替，定义 适州范同同模刑( 2 ) ，只是_ 二者 为取小( m i n ) ，川。代 的隶属度求取不同。 替+ ，定义为 口0 卢= m i n ( 1 ，口+ ) ( d ) m ( + ，0 )特征：加权平均型综台评判 州+ 代替+ ，定义为 依权重的人小它对所有的故障 * 通乘法，刚有界算子。 原闪均衡兼顾，比较适埘丁综合最人 代替+ ，定义为的情形。此模璀等同丁m ( t ，+ ) 旺qp = m i n ( 1 ，饶+ 8 ( 5 ) m ( 芦，八) 特征：特定的综合评判模型 川口代替+ ，定义 该模酗定义了一种最小者为最 为乘幂，_ l j 代替+ ，定 佳评判指标的评削模型。 义为取小( m i n ) 在故障诊断的实际应用中，如何选用合适的模型建模视具体问题的需要和可能而 定，而且评判结果b 值的绝对大小没有意义，重要的是b 中各等级的相对区分度。一般来 况上述几种模型的评价结果的绝对大小有如下关系： 帮1 3 页 墓堕塾鋈堡查叁童堡惑耋堕堡：篓耋堡运塞 b ( ，国) 8 ( ，国) 8 ( + ，v ) ( 2 1 0 ) 置( ，$ ) 酬 ，v ) 2 联+ ，v )( 2 ii ) 为了分文评判维巢b 中各等级闽懿茯劣，一般都先使瑙模奎m ( a ，v ) 穗模型醚( ，$ ) 来计算，再投据上述蓑系在模型m ( $ ，v ) 秘模型m ( a ，$ ) 中选择其一，当戳n ，v ) 鞠域+ ) 麴 值偏小时，宜选用模型m ( 八毋) ；当疗( n ，v ) 和嚣( + ，o ) 傻偏大时宣选用模型m ( $ ，v ) 。 2 。4 磁浮列车故障诊瞬评判模型分析 磁浮到孳上特毪溺靛设备傣号缀多，就肇辆车露言，检测诗算橇嚣要检溺敬信号就 达上百个。因此，监测系统需要对信号进行分类，提取出对列车运行影响较大的信号然后 综合评判。尽管如此，这整信号氇有2 l 类( 参见第三章) ，敬故辩渗断系统评判模型选用 多层次模糊综合评判方法。 国第翻节常见评判模型讨论知，m ( ，v ) 模型强调了主故簿的决定因素，在主故障 邱次疑故障用时发生时，能够突堪主故障对系统的影购，偃龆忽蜷了次要故障对系统盼影 响。加权平均型m ( + ，o ) 评判模型均衡考虑各种因素，适合于各评判因索重要艨相当的情 形，但在主救障积摄多次要敖障同时发生时，骞霹熊突出次要效骧因素凌系统中瓣作凳l ， 而得出不当的结论。m ( t ，v ) 和m ( 八，o ) 模型是介于上述两种模型之间的模型，既突出了主 要敬簿懿影璃，又考虑了次要毅簿鑫素对系绞涎影蛹。为译羯磁浮列车象绞豹教障缀澍， 需要综合考虑各类部件故障的因索，而这些部件的故障严冀程度对系统的影响是不同的。 鹜既，磁浮列车系统故障的综合评翔模型选用m f a ，审) ，兼预了主要故障和次要故障围素 肘系统的影响。 2 。5 本牵，j 、结 奉章着霪讲述了模糊综合评判方法的数学原理，并对单层综台评判模型和多层综合评 判模型进行了比较，列出了凡秘常见的模糊综合评判模型，在此麓鼬上提出了遴合于磁浮 列车系统故障诊断的综合评判模型，为下一章的模型实现提供了理论依撅。 第1 4 翼 第三章磁浮列车系统故障综合评判模型的建立 上一章主要讲述了模糊综合评判方法的数学原理，并分析了适合磁浮列车系统故障诊 断的综合评判模型。在此基础上，本章主要讲述磁浮列车故障诊断系统综合评判模型的 建模过程。 3 1 列车系统故障综合评判模型的问题描述 如图3 1 所示，设磁浮列车系统的故障因素集为u = “，“：“。 ，其中“。( 1 i ”) 为 导致列车系统故障的某一评判因素，故障诊断模型的评价集v = p ，v ：，) ，其中v ，( 1 j m ) 为列车系统发生的故障等级，则评判模型相当于构造个映射法则- 厂：u - y ，使得对于某 一组特定的因素u 。= 0 ：，“0 m j ，有唯一确定的评语= “，v o m j 与之相对应。因此，列车 系统故障评判模型主要将各种故障因素综合考虑，根据已构造好的评判规则，评判出列车 系统所发生的故障级别v ( 1 m ) 。 l 咂p 图31 故障评判模型描述图 3 2 列车系统故障综合评判模型的对象分析 3 2 1 列车系统的故障评价集确定 根据国际电：l = 委员会所制定的故障严重程度与等级关系表，磁浮列车故障运行等级划 分为二个级别。列车一级故障，不影响列车运行的故障已经发生，但列车仍可以继续运行， 抵达终点站后必须入库检修；列车二级故障，影响列车运行性能的故障已经发生，列车须 按显示器提示的降功率1 2 运行，抵终点站后必须入库检修；列车三级故障，列车发生严 重故障，必须按显示屏提示的降功率3 4 运行，列车运行至下一站后须入库检修。因此列 车故障渗断模型的评价集r = v ，v ：，h ，v 、表示列车运行发生一级故障。即轻微故障；。，表 示列车运行发生二级故障，即一般故障；v ，表示列车运行发生三级故障，即严重故障。 第1 5 页 3 2 。2 列擎系统故障评判露素集磷定 l 部件故障级别划分 表3 - 1部件故障级别划分表 邪件部件赦障现象及故障等缎 名称a 缓故障b 级艘筛c 级被障斋注 刚胍州堰一般父艨戏过嘲撬严垂欠姬域采集獬艇鸯* 感麟债 搬过m 主断路器下砌断或含一次来予动断或合两次未于动觉法断戏台通过采集对舸接触 戏翅成魂耩翡辅鹫辫l 毡蒋0 悬浮土 i | 路器下功断或一次未学动断戏台嘣次木手动免法断戏台通过采集仓l ：或戆 成助i 瓿啦开接触点的j u 城判 别部件故障发生卉 跨越主簇路器手崩断或台一次束1 1 霸辑或台携凌来手霸无洼辑戏台采粲接齄点 啦班成功的 b 拄判剡救障笈 生卉 帮t j 逆变器牵0 i 逆受器一般敞乖0 1 逆变 l 严重( 1 ) 采集故障接触 继 教薄 2 ) 蝴车遂盼申袋 集生断跳畿侨0 3 ) 采集r s 4 8 s 通落衍譬 2 4 0 , o c 一d c( 1 ) 输出j 毡雎一般 l ，i b 源谯一次运行 ( i ) 采集置感撵输 i 虬源欠抓中朗次溅两次以i ： 的侪0 c 2 ) i u 灏谯一浓运烫闭并复位。( 2 )采懿 行中关耀并塞葫复f 2 ) 辕粥 毽琏严摹父 d c - - d c 输凼赫 n 位一次艇鲰悠 2