基于复杂网络的电器控制系统故障建模及诊断预测研究

将复杂网络理论应用于电器控制系统故障诊断和预测研究中，从系统整体上对电器控制系统中故障的传播过程和演变机制的动力学行为做出解释，实现诊断和预测目的。首先针对不同的故障特点和诊断预测目标，研究电器控制系统中节点和连接关系的描述和表示方法及系统级拓扑模型的生成过程，并研究常用的复杂网络模型在故障建模中的适用性及改进方法，完成故障拓扑结构的优化过程。其次，在故障传播动力学研究中，采用节点与连接边的混合动态模型和有效的搜素算法，得到一个或多个节点形成的子系统发生故障时的动态模型表示和演变过程，并研究网络系统上相继故障发生时的诊断、预防与控制策略。最后，在故障统一建模的理论研究基础上，借助于数值模拟和系统测试来完成结果的验证和改进，并完善该技术的实际应用方法，为大型复杂行业的电器控制系统故障诊断和预测维护提供理论方法和技术手段。

本项目研究了电器控制系统故障建模分析及诊断预测方法，并在故障影响与传播分析中，结合复杂网络的概念开展了相应的研究。首先对电器控制系统中表示节点和连接关系的断路器等元部件的状态和工作性能及故障模式与影响做了研究分析，在已有的研究结果基础上，完成了用于故障编码和故障影响因素分析的电器控制系统建模平台，实现了有向图算法和计算机辅助分析手段。考虑到电器控制系统的特点, 对系统分层拓扑模型概念和节点划分做了定义和设定的划分原则。研究了采用分层拓扑模型的描述方法，将整个系统的建树工作量划分到不同层次上的部分结构建树,并将重复子系统或元件进行故障预存储,最后在整体上形成故障树,实现系统结构知识到故障诊断知识的转化,并据此建立了相应的故障诊断知识库。基于复杂网络概念，研究了有向图的故障节点传播模型，利用故障传播的矩阵分析方法，通过定义的故障直接传播和间接传播，得到了每种故障发生的概论及对其它节点的影响度，将该方法应用于飞机电源供电系统中，做了实例验证。在完成了元件故障信息、相互连接关系和子系统故障传播基础上，将电器控制系统从整体上进行抽象，建立起具有复杂网络特性的综合模型，定义了节点的聚类系数和平均距离，系统中不同节点的度分布描述了该节点受到的故障影响。针对一个航空电源系统，建立了网络节点模型，研究了网络连接中节点的度和聚类系数特性，表明网络具有小的平均路径和大的聚类系数，满足小世界网络特性。在故障传播特性分析中，定义了连接矩阵和激活函数，确定故障的传播阈值，通过仿真得到在同一故障下的不同节点受影响情况，从而对故障发展趋势做出相应的预测分析。在数值仿真和半实物仿真实验研究的基础上，编制了相应的建模算法和分析软件，建立起了测试电器控制系统的实验平台，最终实现了电器控制系统故障诊断建模与预测研究的综合系统。