基于贝叶斯网络的水下AUV健康管理方法.pdf

书书书装 备 无 损 检 测 与 健 康 监 测 技 术 专 刊（二）测控技术年 第卷 第期收 稿 日 期：基 金 项 目：中 国 科 学 院 空 间 科 学 战 略 性 先 导 科 技 专 项 资 助（）；机 器 人 学 国 家 重 点 实 验 室 自 主 课 题 资 助（）引 用 格 式：张 伟，刘 恩 雨，高 升基 于 贝 叶 斯 网 络 的 水 下健 康 管 理 方 法测 控 技 术，（）：，（）：基于贝叶斯网络的水下健康管理方法张伟，刘 恩 雨，高升，（中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 研 究 所 机 器 人 学 国 家 重 点 实 验 室，辽 宁 沈 阳；中 国 科 学 院 机 器 人 与 智 能 制 造 创 新 研 究 院，辽 宁 沈 阳；沈 阳 理 工 大 学 自 动 化 与 电 气 工 程 学 院，辽 宁 沈 阳）摘 要：随 着 自 主 式 水 下 航 行 器（）系 统 不 断 向 自 动 化、智 能 化 方 向 发 展，系 统 结 构 和 功 能 也 越 来 越 复杂。针 对健 康 管 理 系 统 中 未 能 充 分 挖 掘 多 源 数 据 中 隐 含 的 有 效 信 息 的 缺 点，提 出 了 基 于 朴 素 贝 叶斯 网 络 的健 康 管 理 方 法。首 先，采 用 朴 素 贝 叶 斯 网 络 与 数 据 结 合 的 方 式 构 建的 健 康 管 理 系统；其 次，计 算 该 系 统 各 部 件 和 子 系 统 的 健 康 指 标，并 对 整 体 健 康 情 况 进 行 评 估；最 终，输 出系 统 的健 康 状 态 和 寿 命 指 标 结 果，得 到系 统 的 健 康 指 标。利 用 和作 为 仿 真 平 台 实现 该 方 法 并 对 结 果 进 行 验 证，实 验 结 果 表 明，该 方 法 可 以 实 现 对 不 同 健 康 程 度 的 量 化 分 析 和 表 达，可 确保健 康 长 久 地 运 行。关 键 词：；健 康 管 理；数 据 结 合；贝 叶 斯 网 络中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）：牞 牞 牞 牞 牞 牞 牗 牞 牞 牞 牞 牷 牞 牞 牞 牷 牞 牞 牞 牘牶 牗 牘 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶牷 牷 牷 世 纪 是 海 洋 的 世 纪，拓 展 海 洋 产 业 和 开 发 海 洋 资 源 成 为 当 今 的 重 中 之 重，同 时 也 带 动 了 我 国 其 他 产 业的 发 展。随 着 自 主 式 水 下 航 行 器（，）系 统 研 究 的 深 入，系 统 算 法 复 杂 度 越来 越 高，同 时 其 构 造 也 越 来 越 复 杂。早 期 的 专 家 系 统等 传 统 的 健 康 管 理 技 术 已 不 能 满 足 系 统 工 作 的 基 本 要求。因 此，如 何 让在 健 康 状 态 下 长 久 地 运 行，在 水下 任 务 中 变 得 尤 为 重 要。朴 素 贝 叶 斯 网 络 模 型 源 于 古典 数 学 理 论，其 算 法 逻 辑 简 单、易 于 实 现，且 能 处 理 多 分类 任 务，这 为 健 康 管 理 系 统 的 研 究 提 供 了 新 思 路。贝 叶 斯 网 络 又 称 信 度 网 络，由等于年 提 出，是 一 种 应 用 有 向 无 环 图（，）从 不 完 整、不 精 确 或 不 确 定 的 知 识 或 信 息中 做 出 推 理 的 方 法。由 于 该 理 论 模 型 将 图 论 与 理 论 相结 合，在 统 计 学 中 的 应 用 十 分 广 泛，从 而 推 动 了 机 器 学习、模 型 检 测、故 障 诊 断 与 健 康 管 理 等 领 域 的 发 展。故 障 诊 断 与 健 康 管 理 是 近年 来 发 展 起 来 的 一门 新 学 科，主 要 利 用 各 种 检 测 手 段 来 判 断 系 统 的 运行 状 态 和 异 常 状 态，诊 断 故 障 的 类 型、部 位、原 因。年，英 国 国 家 海 洋 中 心 研 制 的“”水 下机 器 人 在 南 极 执 行 任 务 时 出 现 故 障 丢 失；年月，美 国“”号在海 沟 水 深作 业 时 丢 失；年月，中 国“海 斗”号在 完成 深 渊 作 业 准 备 返 航 时 发 生 故 障，沉 入 海 底。故 障 高发 的 情 况 下 健 康 管 理 技 术 显 得 尤 为 重 要。现 有 基 于 数据 驱 动 的 健 康 管 理 方 法 在领 域 的 实 际 应 用 中，未充 分 挖 掘 多 源 数 据 和 相 似 样 本 信 息。现 有 研 究 成 果 表明：一 方 面，由 于恶 劣 的 工 作 环 境，导 致 其 各 系 统部 件 性 能 加 速 老 损；另 一 方 面，工 作 时 所 产 生 的数 据、同 类 型 系 统 退 役 时 所 产 生 的 寿 命 信 息，为 研 究 当前系 统 健 康 管 理 提 供 了 重 要 的 信 息 支 持。现 有 的 健 康 管 理 方 法 没 有 充 分 利 用 上 述 多 源 数 据 中 的有 效 信 息，再 加 上系 统 寿 命 的 数 据 极 少，导 致 了的 健 康 管 理 系 统 与 数 据 相 结 合 成 为 一 个 难 点。相 比 之 下，贝 叶 斯 网 络 不 需 要 建 立 系 统 精 确 的 数 学 模型，从 而 避 免 了 由 建 模 误 差 产 生 的 影 响，且 可 以 充 分 利用 历 史 数 据 的 特 点，解 决 了 现 有 方 法 的 不 足。基于 上 述 分 析，笔 者 将 贝 叶 斯 网 络 应 用 到的 健 康 管理 中，旨 在 通 过 构 建 贝 叶 斯 网 络 减 少 模 型 误 差 所 产 生的 影 响，提 出 并 使 用 构 建 了 一 套健 康 管 理方 法，通 过 分 析系 统 的 各 种 数 据，最 终 得 到 系 统的 健 康 分 值，实 现 对 系 统 不 同 健 康 程 度 的 量 化 分 析 和表 达。同 时，进 行 了 大 量 的 参 数 调 试 并 与 其 他 方 法 进行 对 比，证 明 了 所 提 出 方 法 的 有 效 性。贝 叶 斯 原 理 贝 叶 斯 公 式贝 叶 斯 定 理 由 英 国 数 学 家 贝 叶 斯（）提 出，其 公 式 为（）（）（）（）（）（）式 中：（）为事 件 发 生 的 条 件 下发 生 的 概率，也 称 之 为 后 验 概 率；（）为的 先 验 概 率；（）（）为 全 概 率 公 式。该 公 式 描 述 了两 个 事 件 之 间 的 关 系，即 后 验 概 率 与 先 验 概 率 和 似 然度 的 乘 积 成 正 比。在 假 设 各 个 特 征 相 互 独 立 的 前 提 下，由 式（）可 以 推 导 出 朴 素 贝 叶 斯 公 式（）为（，）（，）（，）（）（，）（）（）（）式 中：（）为 先 验 概 率，其 值 由 训 练 数 据获 得；为 常 数，其 值 与 全 概 率 公 式 计 算 出 的（，）的 倒 数 值 相 等。对 于 给 定 的，的 特 征值，使（，）最 大 化的 值 便 是 其 所 属的 类 别。朴 素 贝 叶 斯 分 类 器 如 图所 示。图朴 素 贝 叶 斯 分 类 器 贝 叶 斯 网 络贝 叶 斯 网 络 是 一 个 由 若 干 子 节 点、父 节 点 与 有 向边 所 构 成 的，如 图所 示。每 个 节 点 代 表 一 个随 机 变 量，每 条 有 向 边 代 表 节 点 间 的 关 系。子 节 点 与父 节 点 的 关 系 强 弱 以 条 件 概 率 表（，）的 形 式 表 达。图有 向 无 环 图图中 节 点的如 表所 示。其 中，为 事件 发 生；为 事 件 未 发 生；、均 为 常 数，表 示 各 事件 发 生 的 概 率 数 值，该 数 值 由 数 据训 练 而 来。通 过上 述 贝 叶 斯 网 络 的 结 构 及节 点 的，便 可 以 推 理出 该 事 件 发 生 的 概 率。在 该 网 络 结 构 中，变 量为 变量的 子 节 点，变 量、变 量与 变 量之 间 相 互 独 立。测 控 技 术年 第卷 第期表 节 点 的 健 康 管 理 模 型 基 于 朴 素 贝 叶 斯健 康 管 理 模 型本 文 提 出 了 一 种 基 于 贝 叶 斯 网 络 的健 康 管理 方 法，该 方 法 由 健 康 评 估 模 块 和 故 障 预 测 模 块 共个 部 分 组 成。（）健 康 评 估 模 块：从 数 据 库 中 读 取 贝 叶 斯 信息 文 件 和 寿 命 信 息 文 件，得 到 构 建 贝 叶 斯 网 络 的 参 数，其 中 每 个 部 件 为 贝 叶 斯 网 络 中 的 一 个 节 点，每 个 节 点均 有 其 自 己 的 节 点 模 式，将 可 靠 度 数 值 作 为 贝 叶 斯 网络 中 的 概 率 值，通 过 节 点 模 式 来 表 示 该 节 点 与 其 他 节点 的 关 系；健 康 评 估 模 块 读 取 部 件 的 模 式，从 而 对部 件 状 态 进 行 推 理，对 得 到 的 部 件 信 息 进 行 更 新；贝 叶 斯 网 络 更 新 各 个 部 件 的 模 式 信 息，通 过 推 理 计 算得 到 子 系 统 当 前 的 模 式 与 部 件 的 健 康 指 标。（）故 障 预 测 模 块：首 先 读 取 寿 命 信 息 文 件，获 取 参 数 并 建 立 寿 命 模 型；由 部 件 模 式 的 变 化 作 为输 入 信 息，计 算 并 更 新 部 件 的 寿 命 指 标。健 康 管 理 系 统 构 成 如 图所 示。其 中，健 康评 估 模 块 具 有 分 析 部 件、子 系 统 当 前 健 康 状 态 的 功 能，其 输 出 为 该 部 件 或 子 系 统 的 分 数 值 和 健 康 状 态 说 明；故 障 预 测 模 块 综 合 了 历 史 数 据 和 寿 命 模 型，实 现 对 系 统的 故 障 预 测，最 终 输 出 系 统 或 部 件 的 寿 命 指 标 和 说 明。图 健 康 管 理 系 统 构 成图为系 统 健 康 评 估 模 块，该 模 块 由 贝 叶 斯网 络 和 健 康 评 估 加 权种 方 法 组 成。其 中，贝 叶 斯 网络 方 法 通 过 上 述 建 立 的 贝 叶 斯 网 络，分 析 部 件 或 子 系统 间 的 故 障 关 联，得 到 系 统 和 各 部 件 的 健 康 分 值；健 康评 估 加 权 方 法 通 过 对 部 件 或 子 系 统 的 重 要 程 度 加 权，输 出 系 统 的 健 康 指 标。将种 方 法 相 互 结 合 最 后 输 出系 统 健 康 评 估 结 果。图 系 统 健 康 评 估 模 块图为系 统 故 障 预 测 模 块。该 模 块 将 健 康管 理 系 统 与 数 据 紧 密 结 合，通 过 故 障 信 息 和 寿 命 模 型实 时 监 视 部 件 或 子 系 统 健 康 变 化 和 未 来 可 靠 性 程 度 的变 化，最 终 输 出 健 康 预 测 结 果。其 流 程 为：首 先 从 数 据库 中 读 取 数 据 到 实 时 数 据 库（，）的 变 量 字 典 中；随 后，调 用 所 有 节 点 的 算 分 方 法 进行 分 数 计 算 并 在字 典 中 更 新；最 后，将 分 数 和 状态 写 回 数 据 库。图 系 统 故 障 预 测 模 块图为 层 级 示 意 图。其 工 作 流 程 为：一 方 面，节 点计 算 机 直 接 处 理 部 件 级 的 输 入 信 息，经 过 健 康 评 估 和故 障 预 测 的 计 算 和 推 理，得 到 部 件 的 健 康 评 估 和 故 障预 测 的 结 果；另 一 方 面，由 于 子 系 统 是 由 部 件 组 成 的，故 将 部 件