Jakob Mauss

Analyse kompositionaler Modelle durch Serien-Parallel-Stern Aggregation
 

DISKI Dissertationen zur Künstlichen Intelligenz 183, ISBN 3-89601-183-9, infix-Verlag, Sankt Augustin, 1998.

 Kurzfassung

Diese Dissertation beschreibt ein Verfahren, mit dem Datenverarbeitungsprogramme automatisch erzeugt werden können, die eine bestimmte Klasse von technischen Diagnoseproblemen lösen. Als Anwendungsfeld wurde hier die Diagnose von Fehlern in Straßenfahrzeugen gewählt. Das Werkstattdiagnose-Szenario wird zunächst ausführlich untersucht. Dabei wird schließlich die Klasse von Diagnoseproblemen bestimmt, deren automatisierte, modellgestützte Behandlung erfolgversprechend erscheint. Dies sind Probleme, zu deren Lösung Modelle ausreichen, die so einfach sind, daß sie mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand erstellt werden können. Solche Modelle lassen sich vor allem für elektrische und elektronisch vernetzte Fahrzeugteilsysteme angeben.
Im Anschluß an diese Problemanalyse wird ein Verfahren vorgestellt, das als Eingabe ein Diagramm eines elektrischen Fahrzeugteilsystems erhält und daraus automatisch ein Diagnoseprogramm in Gestalt eines Entscheidungsbaums erzeugt. Das Verfahren benötigt dazu keinerlei zahlenmäßige Informationen über die einzelnen Bauteile. Realisiert wird dies durch ein neuartiges, qualitatives Analyseverfahren für Widerstandsnetzwerke - die sogenannte SPS-Analyse.
Die Beschreibung dieses Analyseverfahrens bildet den Hauptteil der vorliegenden Arbeit. Die hier entwickelte Analysetechnik ist für viele modellbasierte Verfahren verwendbar, so zum Beispiel für die rein modellbasierte Diagnose, für die modellgestützte Fehlermöglichkeits- und -effektanalyse (FMEA) oder, wie hier beschrieben, zum Generieren von Entscheidungsbäumen aus vorgegebenen Diagrammen.
 

Geleitwort des Doktorvaters

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit einem wichtigen Anwendungsbereich der Informatik, speziell der Künstlichen Intelligenz: der computer-internen Modellierung und Verhaltensanalyse technischer Systeme zum Zwecke der Fehlerdiagnose. In Ergänzung zu Diagnosefragestellungen aus den klassischen Ingenieursdisziplinen, etwa Maschinenbau und Elektrotechnik, ist hier die algorithmische Realisierung das Thema. Dabei spielt der Anwendungshintergrund eine wichtige Rolle. Was wird überhaupt in der Praxis gebraucht? Wo liegen Probleme, wenn man wirtschaftliche Aspekte berücksichtigt - z.B. Erstellungskosten für Diagnosesysteme?
Die Arbeit trägt dieser Anwendungsorientierung bereits durch die äußeren Umstände ihrer Entstehung in deutlicher Weise Rechnung. Sie ist im wesentlichen in der Forschungsabteilung eines Industrieunternehmens entstanden, in dem Erfordernisse der Anwendungsseite aus erster Hand bekannt waren. Gleichzeitig trug die Anbindung an das Labor für Künstliche Intelligenz an der Universität Hamburg zu einer Fokussierung auf wissenschaftliche Aspekte bei.
Das besondere Thema der Arbeit ist die Verhaltensanalyse von Netzen aus linearen (oder auch stückweise linearen) Bauelementen. Dazu gehören vor allem Widerstandsnetze. Es scheint symptomatisch für den zuweilen überraschend großen Abstand zwischen physikalisch-technischem Wissen und seiner Verwendbarkeit, daß die für eine Erstellung von Diagnosesystemen erforderlichen Berechnungsverfahren trotz Ohm´schen Gesetzes und Kirchhoff´scher Gesetze nicht den Bedarf befriedigen und Raum für promotionswürdige Forschungsergebnisse lassen. Gleichzeitig verdeutlicht die Arbeit, daß Widerstandsnetze keineswegs nur elektrische Phänomene beschreiben sondern auch völlig analoge Zusammenhänge in der Mechanik, Hydraulik, Thermodynamik und anderen physikalischen Bereichen abdecken.
Kern der Arbeit ist das vom Autor entwickelte SPS-Verfahren zur Analyse von Widerstandsnetzen. Das Verfahren erlaubt die schrittweise Reduktion eines Widerstandsnetzes auf einen Ersatzwiderstand, wobei Stern-Dreickeck-Umwandlungen die bekannte Serien-Parallel-Umwandlung ergänzen. Die Transformationsschritte sind nicht eigentlich neu, sie induzieren jedoch ein Berechnungsverfahren, das ein entscheidendes Problem der bisher bekannten Berechnungsmethoden überwindet: die Notwendigkeit einer strukturellen Schaltungsanalyse und die dadurch verbaute Möglichkeit eines auf lokaler Wertepropagation beruhenden Berechnungsverfahrens. Der Autor zeigt zahlreiche Interpretations- und Verwendungsmöglichkeiten der SPS-Reduktion auf. Er stellt wissenschaftlich wertvolle Verbindungen zu verwandten Ansätzen (z.B. der Bondgraph-Analyse) her und entwickelt Varianten seines Verfahrens für verschiedene Anwendungssituationen. Unter dem Strich steht nun ein ganzes Bündel von Verfahren zur modellbasierten Analyse von linearen Netzen zur Verfügung, mit dem ein substantieller Fortschritt im Bereich der Diagnosesystementwicklung erreicht werden kann.

Bernd Neumann

Die vorliegende Dissertation entstand 1994-96 im Rahmen des Doktorandenprogramms der Daimler-Benz AG im Forschungsinstitut Mercedes-Benz, Abteilung F1M/EK - Konfiguration und Diagnose. Mein erster Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. Thomas Forchert, der als Abteilungsleiter diese Arbeit möglich gemacht und großzügig gefördert hat. Mein Dank geht außerdem an alle Mitarbeiter, Diplomanden und Praktikanten der Abteilung, die mich nach Kräften unterstützt haben. Besonders erwähnen möchte ich hier die Mitarbeiter des Diagnoseteams Andreas Heinzelmann, Jürgen Luka, Bernd Rehfus und Peter Spiegel, deren fachliche Unterstützung mir sehr geholfen hat. Zu danken habe ich auch den Mitarbeitern der Mercedes-Benz Servicebereiche in VSE und den Ingenieuren der Automatgetriebeentwicklung EP/MTS, die mich bei den Recherchen zur Werkstattdiagnose unterstützten und mir meine Fragen geduldig beantwortet haben.
Ganz besonders bedanken möchte ich mich bei den Herren Kang Xu und Olaf Renz, die im Rahmen von zwei Diplomarbeiten wesentliche Teile der hier vorgestellten Verfahren mit großem Engagement implementiert haben. Mein Dank gilt außerdem Herrn Prof. Dr. Roller und Herrn Prof. Dr. Lehmann von der Universität Stuttgart, Fachbereich Informatik, die diese Universitäts-externen Diplomarbeiten ermöglichten und als Prüfer betreut haben.
Bedanken möchte ich mich auch bei Herrn Dr. habil. Peter Struss von der TU München, der so freundlich war, eine vorläufige Fassung dieser Arbeit zu kommentieren. Auch die Mitglieder der Münchener Arbeitsgruppe Modellbasierte Systeme und qualitatives Schließen, Ulli Heller, Andreas Malik und Martin Sachenbacher haben mich in der Endphase dieser Arbeit sehr unterstützt.
Meine ersten Erfahrungen auf dem Gebiet der technischen Diagnose verdanke ich der kurzen, aber sehr lehrreichen und interessanten Zeit 1992-93 als Mitarbeiter im Labor für Künstliche Intelligenz LKI der Universität Hamburg. Mein größter Dank geht daher an den Gründer und Leiter des LKI, meinen Doktorvater Herrn Prof. Dr. Bernd Neumann, der diese Arbeit initiiert und drei Jahre lang fachlich begleitet hat.

Inhaltsverzeichnis
 

1 2  2.1  2.2  2.2.1  2.2.2  2.2.3  2.2.4  2.3  2.3.1  2.3.2  2.3.3  2.3.3.1  2.3.3.2  2.3.3.3  2.3.3.4  2.3.4  2.3.5  2.3.5.1  2.3.5.2  2.3.5.3  2.4  3  3.1  3.1.1  3.1.2  3.1.3  3.1.4  3.2  3.2.1  3.2.2  3.2.3  3.2.3.1  3.2.3.2  3.2.4  3.2.4.1  3.2.4.2  3.3  3.3.1  3.3.2 4  3.3.3  3.4  3.5  3.5.1  3.5.2  3.5.3  3.5.4  3.5.5  3.5.6  3.5.7  3.5.8  3.5.9  3.6  4  4.1  4.1.1  4.1.2  4.1.3  4.1.4  4.1.5  4.1.6  4.2  4.2.1  4.2.2  4.2.3  4.3  4.3.1  4.3.2  4.4  4.5  5  5.1  5.2  5.2.1  5.3  5.3.1  5.3.2  5.4  5.5  5.6  6    A B C

EINFÜHRUNG ......................................................................................................  FAHRZEUGDIAGNOSE IN DER WERKSTATT .............................................  Das Werkstattdiagnose-Szenario ...............................................................................  Typische Fehlerfälle in der Werkstattdiagnose ............................................................  Elektrikfehler: Aktoransteuerung ................................................................................  Vernetzte Steuergeräte: Fahrzeug schaltet in der Kurve...............................................  Hydraulikfehler: Rutschendes Getriebe ......................................................................  Unscharfe Symptome: Schlechte Schaltqualität............................................................  Folgerungen für Diagnoseassistenzsysteme .................................................................  Leistungsumfang eines Diagnoseassistenzsystems ........................................................  Forschungsbedarf zur Realisierung eines DAS ............................................................  Diagnoseverfahren für ein DAS ..................................................................................  Entscheidungsbäume ..................................................................................................  Fehlerbäume .............................................................................................................  Modelle ...................................................................................................................  Weitere Verfahren ....................................................................................................  Anforderungskatalog für Verfahren zur Werkstattdiagnose .........................................  Bewertung der Verfahren hinsichtlich ihrer Eignung für die Werkstattdiagnose ............  Modellbasierte Diagnoseverfahren ............................................................................  Diagnose mit Entscheidungsbäumen ..........................................................................  Diagnose mit Fehlerbäumen .....................................................................................  Zusammenfassung ....................................................................................................  MODELLIERUNG MIT WIDERSTANDSNETZWERKEN ..........................  SPS-Analyse von Widerstandsnetzwerken ...............................................................  Definitionen ..............................................................................................................  Ersetzungsoperationen auf Graphen ..........................................................................  Ein Algorithmus zur SPS-Analyse ............................................................................  Verbesserungen ........................................................................................................  Interpretation von SPS-Bäumen ................................................................................  SPS-Bäume .............................................................................................................  Gleichstrominterpretation von SPS-Bäumen ..............................................................  Andere Interpretationen von SPS-Bäumen ................................................................  SPS-Analyse von RLC-Netzwerken .........................................................................  SPS-Analyse hydraulischer und mechanischer Systeme ..............................................  SPS-Bäume und Bondgraphen .................................................................................  Kurzeinführung: Modellierung mit Bondgraphen .........................................................  Vergleich mit SPS-Bäumen .......................................................................................  Qualitative Analyse von Gleichstromschaltungen ........................................................  Qualitative Relationen ................................................................................................  Ein Algorithmus zum Auswerten von SPS-Analysen ...................................................  Probleme und Grenzen der qualitativen Analyse .........................................................  Modellierung von Meßgeräten ...................................................................................  Erweiterungen ...........................................................................................................  SPS-Analyse in wechselnden topologischen Situationen .............................................  SPS-Bäume als Abstraktionshierarchien ....................................................................  Behandlung beliebig vieler Quellen .............................................................................  Verstärker als negative Widerstände .........................................................................  Transformer und Gyratoren .......................................................................................  Kontinuierliche Dynamik: Energiespeichernde Elemente ..............................................  Diskretisierte Dynamik: Zustände und Zustandsübergänge ..........................................  Analyse stückweise linearer Systeme .........................................................................  Störungsanalyse mit Größenordungs- und Relativbeschreibungen ...............................  Zusammenfassung .....................................................................................................  ALTERNATIVE ANALYSEVERFAHREN ........................................................  Qualitative Analyseverfahren .....................................................................................  Lokale Analyse durch Propagieren von Strom- und Spannungswerten .......................  Qualitative Analyse durch getrenntes Betrachten alternativer Werte ............................  Qualitative Analyse durch Betrachten aller Pfade von der Quelle zur Senke .................  Lokale qualitative Analyse durch Propagieren topologischer Information .....................  Globale qualitative Analyse durch Betrachten kürzester Pfade ....................................  Qualitative Analyse durch Aufzählen kreisfreier Digraphen .........................................  Numerische Analyseverfahren ...................................................................................  Analyse mit Leerlaufersatzschaltungen .......................................................................  Maschenanalyse mit dem Gaußverfahren ...................................................................  Knotenanalyse mit dem Gaußverfahren .....................................................................  Symbolische Analyseverfahren .................................................................................  Dünn besetzte Matrizen und die Cramer’sche Regel ..................................................  Topologische Determinantenformel nach Coates ........................................................  Vergleich der vorgestellten Analyseverfahren .............................................................  Zusammenfassung .....................................................................................................  MODELLGESTÜTZTE ENTSCHEIDUNGSBAUMENTWICKLUNG ..........  Flache Modelle zur Spezifikation von Diagnoseproblemen .........................................  Ableiten von Fehlertabellen aus tiefen Modellen .........................................................  Parallele Modellanalyse mit SPS-Bäumen ..................................................................  Ableiten von Entscheidungsbäumen aus Fehlertabellen ...............................................  Bestimmung eines besten Meßpunkts .........................................................................  Vollständigkeit des Verfahrens ..................................................................................  Implementierung: Das Diagnose-Entwicklungssystem DES .........................................  Das Variantenproblem: Parametrisierung von Entscheidungsbäumen ...........................  Zusammenfassung .....................................................................................................  AUSBLICK ............................................................................................................  LITERATUR .........................................................................................................  ANHANG................................................................................................................  Kurzportraits industrieller Diagnosesysteme ................................................................  Abbildungsnachweis ..................................................................................................  Lebenslauf ................................................................................................................

1 5 5  7  8  10  11  15  17  17  18  18  19  19  21  23  24  26  26  29  29  30  31 33  35  36  39  41  43  43  45  50  50  52  53  53  57  58  59  64  68  72  74  74  79  80  82  83  85  86  88  91  92  93 93  93  94  95  96  98  99  101  101  103  105  108  109  111  113  115  117 117  120  121  125  126  128  130  137  138  141 143 147  157  157