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离散事件系统基于模型诊断的研究进展

来源:榕意旅游网
ISSN 1673—9418 CODEN JKYTA8 Journal of Frontiers of Computer Science and Technology E—mail:fcst@vip.163.eom http://www.ceaj.org Tel:+86.10—51616056 1673—9418/2011/05(02)一0ll4—14 DOI:10.37780.issn.1673—9418.201 1.02.002 离散事件系统基于模型诊断的研究进展 赵相福 ,欧阳丹彤 1.浙江师范大学数理与信息工程学院,浙江金华321004 2.吉林大学符号计算与知识工程教育部重点实验室,长春130012 Progress on Mode1.based Diagnosis of Discrete.event Systems ZHAO Xiangfu¨OUYANG Dantong ,1.College of Mathematics Physics and Information Engineering,Zhejiang Normal University,Jinhua,Zhejiang 321004,China 2.Key Laboratory of Symbolic Computation and Knowledge Engineering of Ministry of Education,Jilin University, Changchun 1 300 1 2,China +Corresponding author:E—mail:xiangfuzhao@gmail.corn ZHAO Xiangfu,OUYANG Dantong.Progress on model-based diagnosis of discrete-event systems.Journal of Frontiers of Computer Science and Technology,2011,5(2):114-127. Abstract:Recently,model—-based diagnosis of discrete—-event systems(DESs)has been applied to large telecommu—- nication networks and power transmission networks.It has attracted more and more interests in both artiicialf intel— ligence(AI)and control engineering ifelds.Firstly,the basic idea and modeling methods are introduced.Then,most approaches of diagnosing DESs modeled by automata have been analyzed and compared in different views.The main algorithms for testing diagnosability of DESs are also presented in the following.Finally,some open questions re given in system modeling,distaibuted online diagnosis,diagnosis with incomplrete systems,and the system implementation. Key words:model-based diagnosis(MBD);discrete—event systems(DESs);diagnosability The National Natural Science Foundation of China under Grant No.61003101,60973089,60873148(国家自然科学基金);the Natural Science Foundation of Zhejiang Province of China under Grant No.Y1 100191(浙江省自然科学基金);the Opening Foundation of Key Laboratory of Symbolic Computation and Knowledge Engineering of Ministry of Education of China under Grant No.93K一17—2009一K05(ff号计算与知识T程教育部重点实验室开放课题基金). Received 20 1 0—04,Accepted 20 1 0—06. 赵相福等:离散事件系统基于模型诊断的研究进展 ll5 摘要:近年来,针对离散事件系统的基于模型诊断方法在大型通讯网络、电网故障诊断等领域获得了成 功应用,成为人工智能与控制工程领域的热门研究课题。介绍了针对离散事件系统的基于模型诊断的基本 思想与建模方法,从不同的角度对使用自动机建模的各种主要诊断方法进行了评析与比较:讨论了系统可 诊断性判定方法的研究进展。从系统建模、分布式在线诊断、不完备模型下的诊断以及系统实现等方面,展 望了针对离散事件系统的基于模型诊断领域中有待解决的问题。 关键词:基于模型的诊断;离散事件系统;可诊断性 文献标识码:A 中图分类号:TP31 1 引言 随着科技的发展,人们设计制造出了越来越精 密复杂的系统,如大型电网、核电站、航天飞船、 智能汽车等。一旦系统中某个部件出现故障,可能 会导致整个系统无法运转,若不能及时处理甚至会 造成无可挽回的损失(如核泄漏、航天飞船无法正常 着陆等),因而研究复杂系统的故障诊断方法是一 个十分重要的课题。由于系统本身的复杂性,也使 得故障诊断成为一个亟待解决的难题。传统的专家 系统诊断方法,虽然可利用专家经验(类似于中医 诊断)给出具有一定可信度的诊断结果,但该方法 一方面需要专家的知识(而获取专家知识有时会比 较昂贵),另一方面严重依赖于待诊断系统本身的特 征,不具有设备独立性,尤其对于一些新兴复杂设备 的故障诊断因缺乏相关的专家经验而将无法应用。 基于模型的诊断(model—based diagnosis,MBD) 正是为了克服第一代专家诊断系统的严重缺陷而 出现的智能推理技术『1 引。MBD使用设备内部结构 与行为的知识进行故障诊断_l引,这正是该方法与传 统方法的本质区别,被誉为诊断理论和技术上的革 命。在IJCAI一99上,著名的MBD专家Console和 Dressier在其特邀报告中指出:MBD对整个人工智  ̄(artiifcial intelligence,AI)领域的研究起着重要推 动作用 。MBD专家Sterss称MBD是对AI的一 个重要挑战和检验fJ 。 如图1所示,MBD的主要思想为:根据待诊断 系统中各组成部件的工作原理创建其各自的行为 模型,依据它们的连接方式获得整个系统的结构及 行为模型;然后由系统模型出发,根据当前输入信 息可预测系统的预期行为;而通过监控实际系统可 获得系统实际的行为。若检测到实际行为和预期行 为之间存在差异,则系统中肯定有部件发生了故障, 则由差异和系统模型出发通过诊断推理来产生候 选的故障部件集。从MBD的主要思想可以看出,该 诊断方法基于系统本身的模型以及系统的“深知 识”,不依赖于专家的经验,因而具有较强的设备 独立性,易于更新和维护。 匝 一[ 一匝 Fig.1 Main idea of model—based diagnosis 图1基于模型诊断的主要思想 MBD于20世纪80年代中期成为热门研究课 题,已在航天器故障检测、大型VHDL程序的故障 检测、大型通讯网络故障诊断、电网故障诊断、汽 车故障诊断等领域得到成功应用。尤其是获得美国 宇航局奖的Livingstone系统,在没有地面控制人员 指挥的情况下可自主诊断“深空一号”飞船的故 障并发出更正指令 。 根据对诊断结果逻辑约束的强弱不同,MBD可 划分为两个基本流派:基于一致性的诊断(consistency— based diagnosis,CBD) j1¨ 和基于溯因的诊断 (abductive diagnosis,ABD)¨ 。CBD仅要求所得候 选诊断结果与系统模型、观测在逻辑上相一致(1 ̄lJ “不冲突”)即可;而ABD则不仅要求候选诊断结 116 JournalofFrontiers ofComputerScienceandTechnology计算机科学与探索 2011,5(2) 果与系统模型、观测在逻辑上一致,还要求候选部 国内中山大学邱道文教授等开展了模糊或随机可诊 断陛问题的研究 ;笔者近年来也对离散事件系 统的在线诊断方法及不完备模型下的诊断理论等做 了一些探索[50-51];除此之外国内还未见其他相关 报道。 件的(故障)行为必然能够逻辑推出实际的(异常)观 测。显然,ABD比CBD在逻辑约束上要求更强。相 应地,ABD要求系统模型必须是完备的,即模型中 包含了正常行为和所有可能的故障行为;而CBD 仅要求系统正常行为模型完备即可。 最初,MBD只针对静态系统,而随着对动态系 从20世纪90年代初开始举行的一年一度的诊 断原理会议(International Workshop on Diagnosis 统安全性和可靠性要求的与13俱增,动态系统 MBD已成为一个非常重要的研究课题。Console和 Dressier指出,动态系统的诊断至今仍是基于模型 诊断有待解决的问题之一,动态系统被认为是对模 型化特别是定性模型化以及推理机制的挑战。尤 其是最近几年,针对离散事件动态系统(discrete—event systems,DESs)的基于模型的诊断方法l 】受到了越 来越多的关注。这是由于离散事件系统在各状态中 接近于静态系统,而许多混合(hybrid)或者连续 (continuous)值的动态系统通过量化以后,又可以使 用离散事件系统近似地表达L2Ⅲ。因此,研究离散事 件系统MBD是研究静态系统与混合或者连续动态 系统MBD的一个桥梁,是开展混合系统直至连续 动态系统MBD研究的基础。 针对离散事件系统基于模型诊断方法的基本思 想为:首先使用自动机、Petri网或进程代数等工具 为待诊断系统建模,描述出系统的正常行为和所有 可能的故障行为;然后监控系统运行,并根据观测 序列来匹配系统的行为模型,从而找出系统可能的 行为轨迹,其中包含了系统所有可能的故障部件及 其故障原因。可以看出,这种基于模型诊断的离散 事件系统思想本质上属于ABD。 关于离散事件系统的诊断研究,主要有:美国 密歇根大学Lafortune教授等从监控理论来研究离 散可诊断性(即系统是否可诊断)等问题[19,2t-22 :法 国雷恩大学Cordier教授等研究在线增量诊断及可 诊断性问题[2 引;意大利布雷西亚大学Lamperti教 授等研究主动系统诊断(后验及在线诊断)【 :加 拿大多伦多大学Wonham教授等主要从全局一致性 研究分布式诊断聆 01.,澳大利亚国立大学的一些学 者也在研究增量诊断及可诊断陛分析的新方法[41-4 。 Principles(Dx)I521),主要侧重于使用人工智能领域 中的方法求解诊断;而每两年一度的离散事件系统 会议(International Workshop on Discrete Event Sys— tems(WODES)t531),则主要侧重于使用控制工程领 域中的方法求解离散事件系统的故障;此外, IJCAI、AAAI、ECAI等会议文集中也经常看到相 关论文发表。相关的主要围际期刊包括“IEEE Transactions on Automatic Control”,“Journal of Dis— crete Event Dynamic Systems:Theory and Applica- tions”.‘‘Artificial Intelligence”.‘‘AI Communications’’ 等,最近几年都有相关的论文发表。 2系统建模与表示 离散事件系统的状态在一些不均匀的离散时刻 由于某些事件触发而发生变换,并且一般状态变换 的内部机制比较复杂,因而往往无法用常规的数学 方法来描述。一般使用状态及转移的各种表示(如自 动机、进程代数、Petri网等)对DESs建模。 f 1)有限状态自动机(finite—state machines,FSMs) Sampath等人 4_ 最早研究了基于模型的离散 事件系统的故障诊断方法。该方法使用有限状态机 对离散事件系统进行建模,并假设每一故障和相应 的系统行为都是已知的,且故障模型是完备的。所 有的组件使用FSMs建模表示。FSM的每个状态对 应于组件的内部状态,转移则对应于相应的事件。 每个转移表示由于该事件的出现而导致的状态改 变。事件可分为可观测的和不可观测的事件:前者 为任何由传感器可获得的事件;其他的事件则建模 为不可观测的事件。其中不可观测事件的一个子集 为故障事件集,即需要通过推理得到的反常事件 集。故障通常假设是持续的,即一旦发生该故障事 件,系统将不能自行修复该故障。因此,一个带有 赵相福等:离散事件系统基于模型诊断的研究进展 117 故障事件的转移也就表明了一个故障事件的开始。 当各组件使用FSMs建模以后,整个系统的FSMs 可以表示为完备的系统模型自动机与发出的观测 序列自动机的同步积。本文主要关注使用自动机对 系统建模的方法。 关于DESs基于模型的诊断,许多研究和工程 人员提出了实际的诊断方法。根据诊断的时机、诊 模型则可由各组件及其交互事件按照合成建模 (composite modeling)方式产生。 在传统有限状态自动机建模的基础上,为了表 达各组件之间的交互,有些学者提出了通讯 (communicating)自动机(CFSM)的概念用于对DESs 建模 引。在通讯自动机中,每个组件被赋予了输 入和输出端口以便完成组件之间的事件交互。这些 组件之间的连接使用结构模型图描述,其中每个节 点表示一个组件,每条边表示组件之间的连接链。 当然,每个组件的行为模型依然使用FSMs表示, 用于描述每个组件对于接收到的消息事件所做出 的反应。 (2)进程代数(process algebra) 使用进程代数表示DESs进行诊断的方法l5刨和 FSMs建模的方法类似,都支持合成建模。使用进程 代数可以将每个DES系统表示为两个模型:一个为 系统的结构模型,即所有组件及其连接关系;另一 个则为每一组件的行为模型。这些模型通过性能评 估进程代数(performance evaluation process algebra, PEPA) 7i来表示。相比较FSMs对DESs建模,使用 进程代数可以更为形式化地对系统建模,更为抽象 一些。 (3)Petri网 DESs也可以使用Petri网建模,特别适用于对 并发系统建模。每个Petri网由库所(places)、跃迁 (transitions)及其连接的有向边(1inks)组成;每个库 所可以包含几个标 ̄(tokens)。正如Aghasaryan等 人L5副所述,每个库所中至多仅有一个标记即足以满 足诊断的目的。标记到库所的每一种分配即对应于 系统的一个状态。为了诊断DES,将跃迁标签为观 测,并且将某些库所标签为故障,称系统是故障的, 如果存在至少一个故障库所包含一个标记。 3基本的诊断方法 当离散事件系统使用自动机建模时,根据基于 模型诊断(尤其是ABD)的基本思想,诊断结果一般 断计算所需的观测信息、诊断对象的布局、通讯的 方式以及编译技术等的不同,可以将现有的主要诊 断方法分为如下几类。 3.1离线、在线与机载诊断 按照诊断的时间要求,现有的主要诊断方法可 分为离线(off-line)、在线(on—line)与机载(on—board) 诊断方法。 在离线诊断中,假设待诊断的系统未在工作, 此时的系统可以看作一种实验台。通过模拟测试发 出命令并观测相应的结果,可以推论出系统可能的 状态,从而为在线诊断提供参考。 而在线诊断一般假设待诊断的系统处于工作模 式中,目的是通过监控在线运行的系统来标识系统 当前的运行状态及可能的故障情况,并能够及时排 除故障。一般可由一个监控中一t ̄,(supervisor)来负责 收集各传感器的信息,然后通过及时诊断推理给出 相应的系统状态及故障信息,从而保证系统的正常 运行。监控中心一般可以是独立于待诊断系统之外 的一个实体。 相对应地,机载诊断方法则要求诊断推理的实 体嵌入到待诊断系统中。能够及时接收系统中的相 关信息,以便及时诊断推理或预测,使得系统能够 正常高效运行。 从以上比较还可以看出,离线诊断可看作对静 态设备的诊断,或者是对动态系统某一状态的诊断; 诊断的场景不变化,时效性要求不太高。而在线诊 断则可看作对动态运行中系统的诊断,诊断的场景 可能随时在变化,可能要考虑系统的变化趋势;时 效性要求相对较高,有时甚至是紧急情况。此外, 机载诊断可看作是在线诊断的一种特殊情况,对时 间要求较高,同时由于机载诊断的存储空间一般较 少,因而对存储空间处理的需求也较高;而前两者 1 1 8 Journal ofFrontiers of Computer Science and Technology 对空间要求相对较低。 些方法依赖于真实的观测发出序列,即认为收到的 观测序列和实际发出序列是相同的,否则可能丢失 解,甚至将无法求解。 为了提高在线诊断的效率,一般可以采取首先 离线编译系统的状态、观测以及相应的诊断结果, 构造出较为高效的诊断编译器;而当在线诊断时, 通过新获得的观测来匹配诊断编译器从而快速产 生诊断结果。后面还将给出各种基于不同编译技术 Grastien等人/26-271提出分片观测自动机链的方 法可用于后验增量诊断,但是如何用于在线诊断, 和Pencol6与CordierI 、Pencol6等人 以及Cordier 的诊断方法。 3.2后验诊断与增量诊断 按照每次诊断产生所考虑的观测信息,可将诊 断方法分为后验(A—posteriori)诊断及增量(incre. menta1)诊断。 若每次结果产生都需要考虑到此时刻所有 可得的观测信息及系统的整个模型,则称为后验 诊断。 若每次诊断只需考虑前一次的诊断结果以及新 获得的观测信息来产生新的诊断结果,则称为增量 诊断。增量诊断是在线诊断的基础,因为一般来说, 通常仅保存上一次的诊断结果,而在当前获得新的 观测的情况下就要能够及时给出新的诊断结果。 对于后验诊断,一般假设已经得到的所有观测 都能正确地反映系统的实际变化情况,或者已经对 收到的不确定观测进行了修正处理。而增量诊断中, 由于是在不断地处理新增加的部分观测,而新收到 的部分观测可能由于通过观测信道传播的干扰而 与实际发出的信息有些差异,因而首先需要考虑观 测的不确定性处理问题。 由于诊断表示为系统模型自动机与发出的观测 序列自动机的同步积,因而实际发出的观测序列对 诊断结果是至关重要的。然而,由于传输信道延迟 等各种不确定因素使得收到的观测序列往往与实 际发出的序列可能并不相同 。】,从而影响诊断的结 果:并且文献[30]给出的处理不确定观测的方法, 只是一种后验的观点,而不是在线的方法。而增量 诊断为在线诊断的本质,并且诊断一般是在线进行 的 ]。虽然Sampath等人 1、Roz6与Cordier【 1、 Lamperti与Zanella _3 5_提出了经典的诊断器方法及 其各种扩展方法,主要使用离线编译技术构建完备 的诊断器,通过在线匹配观测进行监控诊断,但这 与Grastien[281提到的分散式诊断方法一样,依赖于 所谓的“合理的窗口”.而没有给出观测自动机链 的合理分片方法,尤其是在线的增量诊断情形。若 时间窗口设置不合理,可能会丢失诊断解f2 引。 虽然文献【23】指出可利用领域知识来求得“合 理的窗口”用于在线诊断,但若所得观测较为密集, 则可能仍然难以找到“合理的断点”,最坏的情形 为全局观测,此时就变成了后验诊断而非在线诊 断。正如Lamperti与ZanellaI361所述,如何确定观测 序列的“合理的时间窗口”仍是有待解决的问题。 此外,文献[36]从概念层次上指出,若观测是 分层逐渐给出的,则可以保持监控诊断的单调性 (注:此处的“单调性”是指先缩(去掉不一致的)后 张(单调扩展)的过程,即新增观测之后的诊断解必 须是在前面产生的某些诊断的基础上单调递增产 生的)。但如何在线保持观测的分层表示,依然没有 给出合理的方法。虽然文献[26—27]提出的观测自动 机链分片的方法可以满足该单调性,但如前所述, 只是后验方式,并没有给 合理的在线方法。 文献f50]提出了“连续的两个时间窗口”的概念, 可以不断地推断出实际发出的部分观测序列,从而 可用于在线增量诊断,并满足监控诊断的单调性。 3.3集中式、分散式、分布式与分层诊断 按照每次诊断所考虑对象的角度不同,诊断方 法又可以分为集中式、分散式、分布式及分层诊断。 若每次诊断将整个系统建模并对整个系统进行 诊断推理,则称为集中式诊断方法。该方法的缺点 在于系统的空间复杂度可能较高,尤其是当系统规 模较大从而系统状态空间较大时。比如Sampath等 人最早提出的全局诊断器方法_5 引,使用自动机表 达系统的全局模型,然后基于该全局模型构建一个 全局的诊断器(也为一个自动机),诊断器中每一个 赵相福等:离散事件系统基于模型诊断的研究进展 状态说明了当前的诊断结果,其中的转移标识为系 统观测。 由于空间复杂性的问题,全局诊断器方法在实 际大规模复杂系统中一般是不可行的,于是随后的 一些学者研究提出了各种扩展和改进的方法:分散 式、分布式及分层诊断方法。 分散式诊断方法将全局系统按照某种方式分解 为一些小规模的子系统,分别对各子系统建模,并 分别考虑各自的观测信息进行诊断推理得到各自 的局部子诊断结果。此外,新增一个协调器 (coordinator),与各子系统通信(即用于检测相关的 输入/输出观测的一致性),以便协调各子诊断结果, 从而优化并产生最终的全局诊断结果。比如Debouk 等人l6叫提出了使用局部诊断器集合的体系结构。然 而这些局部诊断器依然是基于系统的全局模型。而 文献【25]则描述和实现了一个在线的分散式诊断 DESs的方法,基于“分治法(divide and conquer)” 的原理而不要求计算全局模型。文献[61l ̄JJ提出了 基于分散式模型的局部诊断器方法,使得局部诊断 器同样仅仅依赖于由系统局部模型描述的局部行为。 与分散式诊断类似,分布式诊断同样将全局系 统分解为一些小的子系统,然后各子系统同样根据 相应的子观测进行诊断推理,产生各自的子诊断。 而与分散式诊断不同的是,分布式诊断方法不需要 额外引进一个协调器,而是由各子系统之间通信的 一致性来逐步优化各子诊断,从而给出最终的全局 诊断。比如Baroni等人I2 9】提出了基于模型分解的方 法来处理大型的复杂系统诊断。 另外一种降低空间复杂度的方法则是考虑分层 诊断。分层方法主要是基于对系统的部分组成部件 的抽象表示来缩减系统的规模。该方法依然可以看 作是首先考虑系统整体,但此时的整体已经是一个 抽象的系统:其中的许多部件已经被抽象为某个大 的部件,因而整体系统由更少的抽象部件构成,从 而降低空间复杂度(当然诊断推理时间复杂度也会 相应降低)。当检测到某一抽象部件反常而其余部分 正常时,下一步的工作则仅仅考虑反常的抽象部件 即可而不必考虑全局的系统。当然此时需要将该抽 ll9 象部件进一步细化以便求得更为精细的诊断结果。 比如文献[24]提出的一种扩展的诊断器方法,将通 讯网络的每一个物理结构分支作为一个分层的层 次;显然,该方法强烈依赖于网络的结构特征。文 献[401提出一种形式化的分层诊断方法,但缺乏具 体的可操作性的分层方法。此外,文献[621提出基于 时间自动机的分层诊断方法,其中每一较高的分层 层次都为一个时间自动机,显然,这种方法需要带 时间的系统模型,而时间信息可能会引起新的复杂 性。文献[63—641从控制工程领域的角度提出一种基 于所谓“D—holon”概念的分层方法,其中每一层为 一个D—holon,但没有给出如何划分产生好的 D—holons的方法。最近,笔者结合Lamperti等人提 出的“Silent Closure”概念 引,给出了一种如何分解 系统的模型以产生好的D—holons的方法【o引。 从以上比较还可以看出,分散式、分布式诊断 从局部子诊断人手通过子诊断合成方法来获得全 局诊断;而分层诊断则从全局人手,不过此时的全 局已经是含有大抽象部件(总组件数目更少)的全局 系统。 3.4同步与异步诊断 根据系统中各子部分通讯同步的要求,可以将 诊断分为同步诊断和异步诊断。 同步诊断要求各子系统之间的发送与接收的消 息是同步的,即假设是无延迟的。 文献[29]提到的异步诊断,则考虑了子系统之 间消息的发送与接收之间可能存在延迟,同一个发 送/接收信道内的多个不同消息可以按照先进先出 FIFO方式等待处理。因而,在考虑异步诊断时一般 假设通讯的子系统之间存在一个消息队列。当各通 讯队列中只有单一信息的特殊情形下,异步诊断也 就变成了同步诊断。 3.5基于不同编译技术的诊断 Baroni等人l2 提出的基于模拟的诊断方法,不 使用编译技术,而是通过模拟观测重建出系统可能 的行为。由于事先没有构建整个系统的诊断器,因 而空间复杂度低,但是由于需要在线重建出系统行 为,造成时间复杂度较高。 l2O Journal ofFrontiers of Computer Science and Technology 计算机科学与探索 2011,5(2) 为了提高在线诊断的效率,可以使用一些先进 的编译技术,通过离线方式编译系统状态、观测与 且根据系统之间不同的相似度来确定使用上述三 种不同的编译知识与技术。 (2)基于OBDD的编译诊断方法 诊断的信息,从而提高在线诊断的效率。根据编译 技术的不同,可将现有的一些主要诊断方法分为如 下三种:基于FSMs的方法、基于有序二值决策图 (ordered binary decision diagram,OBDD)的方法和 一OBDD是计算机领域中用来表示布尔表达式的 种数据结构,因此能用到布尔表达式的领域都可 以使用OBDD来解决相应的问题(70-71],是一种广 泛应用的符号化知识表示方法,并且已有成熟的各 基于可分解的否定范式(decomposable negation normal form,DNNF)的编译方法。 (1)基于FSMs的编译诊断方法 Sampath等人最早使用FSMs对系统建模,并 依据系统的模型构建一个诊断器,可用于在线诊断, 通过模拟系统的观测序列来产生系统的执行路径 以及所达到的状态,其中包含了相应的故障信息。 自从Sampath等人提出使用基于FSMs的基本编译 技术之后,该方法已被扩展到带有时间的【6卅以及带 有概率的 1自动机的建模与编译技术。 一方面,尽管当系统规模较小相应的状态数目 较少时,诊断器方法是非常高效的,但是该方法却 难以广泛应用到实际中,这是由于诊断器的规模是 与系统本身的规模潜在地成指数级增长的;另一方 面,基本的诊断器方法存在一些假设使之在应用到 通讯网络中时受到太多的限制。于是,Roz6和 Cordier等人提出了基于通讯FSMs表示的扩展诊断 器方法 引。而为了处理基本诊断器方法的复杂度问 题,Pencol6等人则提出了分散式诊断器方法l2 5.叭], 其中每一个局部诊断器均为基于FSMs离线编译的 基本诊断器。 Schumann与Pencol6[691提出了基于FSMs的故 障标识器的概念,仅需要用于解释观测序列的可能 的故障知识,而不需要系统的状态信息一而这正是 诊断器方法所需要的。并且,诊断器方法可以看作 故障标识器的一种特殊情形。此外,与基本的诊断 器方法相比较,由于故障标识器仅关注系统可观测 的行为而不关注系统状态,因而时间与空间复杂度 也随之降低。 Lamperti与Zanella1351提出了三种基于重用的 诊断方法:基于行为的方法、基于溯因的方法以及 基于映射的方法。它们均基于FSMs对系统建模,并 种操作算子如香农展式(Shannon expansion)、Apply 函数等,因而许多领域的知识表示都可以转化为布 尔表达式从而使用OBDD符号化编译处理,比如可 以应用于大规模电路表示中等。Sztipanovits与 Misra[721最早提出使用基于OBDD的符号计算方法 求解DESs诊断问题。该方法并不依赖于基本的诊 断器方法,而是使用OBDD对系统关系模型D编 码。于是诊断集可以使用p上的一阶逻辑公式刻画, 并且诊断通过使用标准的OBDD算子对O操作来 产生。但是,该文并未给出任何计算诊断的算法, 也未讨论比如OBDD中的变量排序的问题、如何提 取优先诊断解的问题等。 Torta等人首先给出了使用OBDD压缩表示静 态系统模型的形式化方法 引。随后,该方法被扩展 到用于在线诊断动态系统 引,尤其是诊断时变的动 态系统,通过添加时间信息将系统的转移关系用 OBDD编码,并且给出了变量顺序的选择策略。比 起Sztipanovits与Misra提出的诊断方法 引,Torta给 出的方法更为具体。当然,他们的方法均不依赖于 基本的诊断器方法。 Schumann等人也提出了基于OBDD编码求解 DESs诊断的一个符号化框架 引。他们更为关注的 是对系统及相应的基本诊断器在OBDD层次上的 编码问题,并使用OBDD算子给出了同步符号化诊 断器的算法。由于OBDD符号化编码尤其适用于压 缩表示大规模的状态集,因而使得基本诊断器方法 的效率得到了提高。此外,通过比较还可以看出: Schumann等人的方法主要关注对基本诊断器的编 译,而Torta等人给出的则是更一般的方法。 一般来说,当离线编译诊断信息时可能存在空 间爆炸的问题,而当未经过任何编译操作直接进行 赵相福等:离散事件系统基于模型诊断的研究进展 诊断时可能会有较差的时间性能,即编译相当于以 空间换时间。于是,Schumann等人 研究了关于不 同的时间与空间需求的方法频谱。在该频谱中,一 端为无任何编译信息的小规模系统的诊断方法,而 另一端则是针对所有观测行为都被编译了相关诊 断信息的诊断器方法。通过使用OBDD对所有方法 进行编码处理,从而降低诊断的复杂度。 此外,Cordier等人提出使用模型检测的技术 (OBDD可以作为一种有效的数据结构)用于诊断 DESs【7610该方法的主要优点在于,可以使用现有高 效的模型检测算法来离线测试实时系统的模型。 使用OBDD编译时的一个主要问题为:符号化 系统时的变量顺序选择对OBDD的规模有直接的影 响。可以根据具体情况如系统的结构等启发信息来 设定变量顺序,从而提高效率。 (3)基于DNNF的编译诊断方法 Darwiche提出可分解的否定范式DNNF 71,是 一种良好的知识编译技术,并且可以应用于MBD 诊断中,将待诊断系统的知识进行高效编译预处理, 从而提高诊断效率。实际上,Darwiche等人l7 J之 前已经提出一种基于结构的方法对DESs建模与诊 断,其实也是基于类似的DNNF的概念将诊断信息 进行了预编译,从而提高了诊断的效率。 Huang与Darwiche等人 u_指出:若使用一个逻 辑上较弱的DNNF表示,可以比使用OBDD获得更 好的效率和可扩展性。这是由于DNNF编译语言为 OBDD编译语言的一个严格超集并且比OBDD语 言更简洁 。这也就意味着:一方面,若一个系统 模型可以使用OBDD编译,则它也可以使用DNNF 编译;另一方面,某些系统模型可能使用DNNF编 译时有多项式的规模而使用OBDD时却没有。 然而,Schumann[751指出:OBDD更适用于诊断动 态系统,这是由于动态系统中的一个主要操作即状 态转移操作,可以在OBDD表示规模下多项式时间 内完成,而在DNNF表示中则需要指数级的时间。 至于FSMs和OBDD,通过比较文献[25,61]和 文献[82]可以看出它们都是基于系统的分散式模型 (只是分别使用FSMs及OBDD表示而已),它们都 l21 可用于降低DESs诊断的全局复杂度。 4可诊断性 通常来说,基于模型诊断求解的空间可能较大, 存在许多不同的解释。为了进一步缩小诊断空间, 获得更为精确的解释,在静态系统诊断中,一些学 者研究了传感器放置的问题,也可称为测量点选择 的问题,即通过测量系统中哪些部件的信息(即传 感器的测量值)能够更为精确地获得诊断所需要的 观测值 ]。而在DESs诊断问题中也存在类似的 问题,称为系统故障的“可诊断性”问题,即是否 能够确保在获得有限数目的观测信息以后,总是能 够确定地得到精确的诊断信息。并且,也证明了它 们分别表示静态系统和动态设备的等价性 。 与静态系统诊断相比,动态系统可诊断性问题 的判定是一个更为复杂的问题。这是由于动态系统 可诊断性的判定依赖于观测的序列,而不仅仅是观 测值的集合。简单来说,称一个系统是可诊断的, 如果任何一个故障的出现,总能够保证在该故障出 现后的有限数目的观测以后可以确定地探测到它。 DESs的可诊断l生问题最早由Sampath等人在 文献[54】中提出,并且给出了通过创建诊断器的方 法来判定系统是否可诊断,即探测诊断器中是否存 在含有二义性状态的循环。这种基本方法的缺点在 于需要构建系统的全局诊断器,而诊断器的计算与 系统(确定的)全局模型的状态数目成指数级增长, 因而导致与系统的组件数目成双指数级增长。为解 决该问题,Jiang等人以及Yoo与Lafortune分别独立 提出了一种新算法——双模型(twin plant)方法 蹦J, 可以在关于系统模型状态的多项式时间内完成。但 是,该方法对于大规模系统来说依然是难以适用的, 这是因为系统的twin plant依然与系统的状态数目 成4次方增长。于是,Pencol6研究了针对系统组件 或子系统创建局部twin plants的方法来解决该问题 , 主要思想为:采用分布式求解并逐步同步这些局部 twin plants,直到能够确定系统是否可诊断。然而, 该方法并未考虑系统特定的结构信息,因而仍然难 以摆脱twin plant方法的固有瓶颈:在最坏的情形, 1 22 Journal of Frontiers of Computer Science and Technology 特别是当所有的局部twin plants都被同步时,即已 (2)不确定观测情形下的分布式在线诊断 以往所有增量诊断方法,要么是一种集中式的 诊断方法而未考虑系统的分布式特征;要么虽然考 经重建了系统全局的twin plant。此外,以上方法都 只是将可诊断性问题看作~个系统的测试问题而 没有深人分析系统为什么是不可诊断的,以及如何 通过改进系统配置来使得系统更加可诊断。 Schumann等人提出采用连接树Ooin—tree)表达系统 虑了系统的分布(或分散)式特征,但相关的诊断方 法却仅为后验的增量诊断方法,而当观测不确定时 仍然难以在线应用。迄今为止,针对不确定观测情 形下的分布式在线增量诊断方法仍然值得进一步 的结构信息,充分利用结构信息来判定系统是否可 诊断,从而可以进一步提高效率_4 _4 。 5应用简介 下面主要介绍离散事件系统基于模型诊断在电 网及大型通讯网络中的应用情况。 (1)电网故障诊断系统138/ 由意大利布雷西亚大学Lamperti教授等研究的 电网故障诊断系统,将由断路器、保护器、电线等 构成的大型电网抽象为一个离散事件系统,根据各 部件的内在工作模式以及连接方式,使用基于模型 的方法对网络建模,通过匹配所观测到的现象来推 断网络的行为,给出故障的部件。已经实现了一个 较为通用的自动诊断环境。 (2)大型通讯网络故障诊断系统 由法国雷恩大学Cordier教授等研究的大型通 讯网络的基于模型诊断系统,将大型通讯网络使用 通讯自动机建模,采用分散式方法,利用模块独立 性等特点处理复杂度问题。在MAGDA(modeling and learning for distributed management of alarms)项 目中诊断工具如DDypl5圳等得以实现,并基于SDH (synchronous data hierarchy)网络等对其进行了测 试【25】 6问题展望 (1)系统建模 关于动态系统基于模型诊断的建模研究,一些 学者采用了时态建模诊断[90-911、定性建模的方法 ] 等。但针对如何给出一个更适宜的方法对系统建模, 并能方便地用于诊断的问题,虽然现有自动机、进 程代数、Petri网等方法可用于离散事件系统建模, 但是复杂度依然较高,因而系统建模方法依然很值 得进一步拓展与研究。 研究。 (3)不完备模型下的故障诊断 以往关于离散事件系统MBD的研究,总是假 设待诊断系统的模型是完备的,即该系统的自动机 模型中包含了系统正常行为模型和所有故障行为 模型。然而,实际中获得系统的完备行为模型非常 困难,常常是不可能的,那么,如何在模型不完备 的情况下对离散事件系统进行诊断,仍能给出较为 合理的解释?如何表达该诊断解,并使之能够很自 然地扩展经典的诊断表示?虽然国外曾有过关于 静态系统在模型不完备时的一些研究I1引,但是关于 模型不完备时的离散事件系统MBD还未见其他相 关报道。 最近,在传统的自动机同步积表示诊断的基础 上,通过引入“同步度”的概念放松了模型与观测 自动机之间的同步程度,提出了自动机的“p一同步 积”及“P一诊断”理论,使得经典的同步积(诊断)仅为 “p一同步积”(“P一诊断”)的一种特殊情形 。 尽管提出的“P一诊断”方法可以较好地处理集中 式系统不完备模型下的故障诊断,但若对大规模系 统依然采取集中式诊断必将引起太高的复杂度,难 以实际应用,如何处理系统不完备模型下的分布式 诊断依然是有待解决的难题。 (4)系统实现 在离散事件系统基于模型诊断的应用开发方面, 国外虽有一些设计与实现,但大多还是针对特定的 实际系统,比如在大规模通讯网络 、电力传输 网络 等系统中的实现,现在仍缺乏一种较通用 的离散事件设备基于模型的诊断系统。尤其从2009 年开始由NASA举办的首届诊断竞赛(DXC)[931来看, 国际上也越发重视从系统实现上推动MBD的发 赵相福等:离散事件系统基于模型诊断的研究进展 展。因此,设计较为通用的诊断系统原型也是值得 进一步研究的内容。 总之,无论从理论研究或实际应用来说,不确 定观测下的分布式在线诊断、不完备模型下的分布 式诊断以及通用的诊断原型系统设计都已成为亟 待解决的难题。 References: [1】 Hamscher W C,Console L,de Kleer J.Readings in model—based diagnosis[M].San Mateo,CA,USA:Morgan— Kaufmann Publishers,1 992. 【2] Struss E Model—-based problem solving[M]//van Har _ melen F Lifschitz V.Porter B.Handbook of Knowledge Representati0n.[S.1.】:Elsevier,2008:395—465. 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