2.3. Модели на основе графов причинно - следственных связей

Графом причинно-следственных связей называется ориентированный граф, вершины которого отображают собой параметры, события или явления, а дуги, соединяющие эти вершины, отражают причинно-следственные связи между соответствующими параметрами, событиями или явлениями. Стрелки на дугах направлены от причины к следствию.

Отметим, что с помощью графа причинно-следственных связей можно анализировать и объекты, представленные в виде функциональных моделей. В этом случае граф будет иметь вершины, которые соответствуют входным параметрам модели и выходным параметрам блоков модели. Дуги графов будут соответствовать связям между блоками, а также между входными параметрами и блоками модели.

В качестве примера построим граф причинно-следственных связей для функциональной модели, изображенной на рис. 2.2. В вершинах графа (рис.2.8) в данном случае помещают входные параметры x₁ и x₂ системы и выходные параметры блоков y_i (где i = 1. . . 6).

x₁ y₁ y₂ y₃

x₂ y₄ y₅ y₆

Рис. 2.8. Граф причинно-следственных связей для шестиэлементной модели

Вершины с параметрами x₁ и x₂ называются начальными или корневыми вершинами графа. Вершины с параметрами y₃ и y₆ называются висячими вершинами графа.

Данный пример показывает, что граф более конкретно отражает связь между параметрами, событиями или явлениями, помещёнными в вершины графа. По нему четко видно, что если параметр в вершине графа принимает недопустимое значение, то такое же недопустимое значение принимает параметр, связанный с ним причинно-следственной связью (дугой).

Используя полученный граф, можно производить все те же операции, что и по функциональной модели: строить таблицу состояний; выбирать набор проверок (признаков) для проверяющей и различающей совокупностей. Рассмотренный пример является частным, поскольку в вершинах графа находятся измеряемые параметры. Возможности графов намного шире, они определяются тремя основными положениями:

1. Путем построения графов причинно-следственных связей можно устанавливать зависимости не только между параметрами, но и между событиями, которые определены логическими высказываниями.

Например: «Значение параметра (предположим Т_Г*) не выходит за пределы заданной для него области допустимых значений». Такие события можно помещать в вершины графа и дугами устанавливать между ними связи. Если истинность этого высказывания (то есть нахождения параметра в норме) условиться представлять единицей, то ложность этого события (то есть выход параметра за допуск) можно представлять нулем. Такое описание истинного и ложного событий совпадает с тем описанием, которое было принято раньше для функциональных моделей. Это и является предпосылкой для построения на основе графа причинно-следственных связей таблицы состояний.

2. При построении графа причинно-следственных связей можно в вершины графов проставлять не все входные, внутренние и выходные параметры (события или явления), которые происходят в объекте, а только те из них, которые доступны для измерения или регистрации.

3. Для функциональных моделей принято, что неисправностью объекта является любая неисправность, приводящая к появлению недопустимого значения параметра на выходе одного из блоков. Количество неисправностей системы совпадает с количеством имеющихся блоков. При построении графа причинно-следственных связей количество диагностируемых состояний (дефектов) можно искусственно уменьшить путём задания конкретного перечня неисправностей, которые требуется обнаружить. Такое задание неисправностей в виде списка равносильно тому, что неисправности, не внесённые в список, маловероятны или невозможны. Естественно, что уменьшение числа неисправностей при решении практической диагностической задачи уменьшает число параметров, подлежащих измерению и, как следствие, уменьшает объемы проверяющей и особенно различающей совокупностей.

В качестве примера, иллюстрирующего особенности применения графов для задач диагностики, рассмотрим построение таблицы состояния с использованием графа причинно-следственных связей для системы смазки редуктора, схема которой изображена на рис. 2.9.

Т₁

Р_Н Т₂

Т₃

Редуктор

Перепускной

Насос клапан

НС

ОС

Радиатор Бак

Т_Б , Y_Б

Рис. 2.9. Схема системы смазки редуктора

Будем считать, что выходными параметрами, характеризующими техническое состояние всего редуктора, являются величины температур трех основных подшипников редуктора Т₁, Т₂, Т₃. Смазка редуктора (в том числе и подшипников) осуществляется маслом, циркуляция которого обеспечивается шестеренчатым насосом, который имеет нагнетающую (НС) и откачивающую (ОС) секции и создает в напорной магистрали давление P_н. Стабилизацию температуры масла в баке Т_Б обеспечивают прокачкой масла через радиатор. Расход масла через радиатор зависит от положения перепускного клапана. Если клапан закрыт (обозначим это событие К_з), то все масло при откачке проходит через радиатор и температура масла в баке падает. Если клапан открыт (обозначим это событие К_о), то происходит увеличение температуры масла в баке. Кроме температуры масла будем контролировать и его уровень в баке Y_Б.

Для определения вершин графа составим список недопустимых событий для данной системы:

1. Превышение температуры подшипников предельно допустимого значения Н, то есть Т₁  Н; Т₂  Н; Т₃  Н.

2. Давление масла в нагнетающей магистрали ниже нормы Н₁, то есть Р_н  Н₁.

3. Уровень масла в баке ниже минимально допустимого Н₂, то есть.

4. Температура масла в баке выше максимально допустимой Н₃, то есть.

5. Температура масла в баке ниже минимально допустимой Н₄, то есть.

6. Перепускной клапан постоянно закрыт, то есть имеется событие К_З.

7. Перепускной клапан постоянно открыт, то есть имеется событие К₀.

Перечисленные события определяют вершины графа. Для установления причинно-следственных связей между этими событиями проведем анализ физики функционирования системы смазки по имеющейся схеме (рис.2.9).

Определим эти связи из следующих соображений. Превышение Т₁, Т₂ или Т₃ предельно допустимого значения приводит к отказу редуктора. То есть эти события должны быть заключительными в цепочке причин и следствий (рис.2.10).

Т₁  Н Т₂  Н Т₃ Н

Р_н  Н₁ Т_Б  Н₃

Т_Б  Н₄

Y_Б  Н₂ К_О

К_З

Рис.2.10. Цепочка причинно-следственных связей между неисправностями системы смазки редуктора

Появление повышенной температуры подшипников может произойти по следующим причинам: во-первых, из-за повышения температуры масла в баке (событие Т_Б  Н₃); во-вторых, из-за падения давления в нагнетающей магистрали (событие Р_н  Н₁). В свою очередь, повышенная температура масла в баке может появиться, если перепускной клапан постоянно открыт (произошло событие К₀), то есть масло не охлаждается в радиаторе.

Пониженное давление в напорной магистрали может быть обусловлено двумя причинами: во-первых, если уровень масла в баке ниже нормы (событиеY_Б  Н₂); во-вторых, если масло очень холодное (событие Т_Б  Н₄).

Низкая температура масла в баке появится в том случае, если перепускной клапан будет постоянно закрыт (т.е. произошло событие К_З).

Если цепочку причинно-следственных связей, изображенную на рис.2.10, перевернуть, то мы получим граф, у которого в корневых (начальных) вершинах будут помещены события Y_Б  Н₂, К_З и К₀, а в висячих вершинах будут помещены события Т₁  Н , Т₂  Н и Т₃  Н. Этот граф (рис.2.11) позволяет составить таблицу состояний, приняв за неисправности все перечисленные выше недопустимые события.

При таком подходе для этой системы мы определим одно исправное состояние (когда отсутствуют все перечисленные в списке недопустимые события) и девять неисправных состояний (когда происходит только одно из перечисленных в списке недопустимых событий).

Y_Б  Н₂ К_З К_О

Неисправность Т_Б  Н₄ Т_Б  Н₃ Отказ

насоса (S₄) вентилятора

обдува (S₅)

Р_Н  Н₁

Т₁  Н Т₂  Н Т₃  Н Износ

подшипников

(S₆)

Рис. 2.11. Граф причинно-следственных связей для системы смазки

Под элементарными проверками будем подразумевать оценку появления или непоявления указанных в списке событий. Причем, если проверка показывает, что для данного технического состояния проявляется недопустимое событие, то результат проверки принимается равным нулю. И наоборот, если в ходе проверки обнаруживается, что для данного технического состояния проявляется допустимое событие, то результат проверки принимается равным единице. Если теперь при заполнении таблицы в столбец с проверками записывать не события из представленного выше списка, а противоположные им (то есть допустимые события), то полученная таблица будет иметь такой же вид, как и для функциональных моделей. Действительно, для исправного состояния будут наблюдаться только события, противоположные событиям списка, а в соответствующем столбце следует записать единицы. Для отличия допустимых событий от событий, указанных в списке, будем помечать их чертой сверху. Например, - температура первого подшипника находится в норме.

С учетом всего сказанного таблица состояний будет содержать десять столбцов и девять строк. Для уменьшения размерности таблицы состояния следует определить список только тех неисправностей , которые мы желаем обнаружить. Например, из статистики неисправностей системы смазки известно, что в эксплуатации встречаются следующие технические состояния и неисправности:

• S₀ - исправное состояние ;

• S₁ - недостаточен уровень масла в баке ;

• S₂ - перепускной клапан завис в закрытом состоянии ;

• S₃ - перепускной клапан завис в открытом состоянии ;

• S₄ - отказ насоса ;

• S₅ - отказ вентилятора обдува радиатора ;

• S₆ - износ подшипников.

Эти неисправности следует связать с событиями из представленного списка недопустимых событий и наложить их на граф причинно-следственных связей. На рис.2.11 показано, на какие из событий оказывают влияние эксплуатационные неисправности. Пользуясь этим рисунком, составим таблицу состояний (табл.2.5), в которую включим только технические состояния, определенные представ-ленным списком неисправностей.

Таблица 2. 5

Таблица состояний для системы смазки

В полученной таблице состояния S_i (i = 0, 1, …6) соответствуют состояниям, указанным в списке неисправностей, полученном из опыта эксплуатации. Проверки , , означают проверку температуры подшипников на предмет непревышения ее предельных значений. Проверка -это измерение давления в нагнетающей магистрали. Проверки , , - это соответственно измерение температуры и уровня масла в баке.

Из анализа табл. 2.5 следует, что измерение температур Т₁, Т₂ и Т₃ дает одинаковую информацию о состоянии масляной системы. Также одинаковую информацию дают проверки событий и . Таким образом, полученная таблица является избыточной.