[论文解读] Guaranteed Model-Based Fault Detection in Cyber-Physical Systems: A Model Invalidation Approach

Farshad Harirchi, Necmiye Özay|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2016

Fault Detection and Control Systems被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于混合整数线性规划（MILP）的模型失效检测方法，用于网络物理系统，实现保证的实时故障检测。引入了T-可检测性与弱可检测性，以实现具有有限时间保证的移动时域检测，确保对具有时变不确定性和语言约束故障模型的切换仿射系统，故障检测既可靠又完整。

ABSTRACT

This paper presents a sound and complete fault detection approach for cyber-physical systems represented by hidden-mode switched affine models with time varying parametric uncertainty. The fault detection approach builds upon techniques from model invalidation. In particular, a set-membership approach is taken where the noisy input-output data is compared to the set of behaviors of a nominal model. As we show, this set-membership check can be reduced to the feasibility of a mixed-integer linear programming (MILP) problem, which can be solved efficiently by leveraging the state-of-the-art MILP solvers. In the second part of the paper, given a system model and a fault model, the concept of T-detectability is introduced. If a pair of system and fault models satisfies T-detectability property for a finite T, this allows the model invalidation algorithm to be implemented in a receding horizon manner, without compromising detection guarantees. In addition, the concept of weak-detectability is introduced which extends the proposed approach to a more expressive class of fault models that capture language constraints on the mode sequences. Finally, the efficiency of the approach is illustrated with numerical examples motivated by smart building radiant systems.

研究动机与目标

• 解决具有时变参数不确定性的复杂网络物理系统中实时、保证的故障检测挑战。
• 克服传统基于残差的方法缺乏有限时间检测保证的局限性。
• 通过基于优化的模型失效检测，实现高效、实时的故障检测部署。
• 将可检测性理论扩展至包含模式序列的语言约束，扩大其在复杂故障场景中的适用性。
• 提供一种保持检测保证的移动时域故障检测框架，其核心为T-可检测性特性。

提出的方法

• 通过将带噪声的输入-输出数据与标称系统模型的行为集合进行比较，将故障检测建模为模型失效问题。
• 将模型失效问题简化为混合整数线性规划（MILP）的可行性检查问题，以实现高效的实时计算。
• 引入T-可检测性概念，实现在不损失检测保证的前提下进行移动时域实现。
• 定义弱可检测性，以处理对模式序列具有语言约束的故障，例如受限的切换行为。
• 在MILP公式中引入模式序列指示变量，以检测非T-可检测的故障。
• 使用先进的MILP求解器高效求解可行性问题，实现实时部署。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于模型失效的故障检测方案能否在具有时变参数不确定性的切换仿射系统中实现既可靠又完整的检测？
• RQ2 在移动时域故障检测框架中，如何保持有限时间检测保证？
• RQ3 在有限时间窗T内确保故障可被检测的条件是什么？最小T值如何计算？
• RQ4 该框架能否检测具有受限切换序列（例如，仅在特定条件下允许某些模式）的故障，而这些故障并非T-可检测？
• RQ5 不确定性与噪声的引入如何影响检测所需的时间窗T？

主要发现

• 具有参数不确定性的切换仿射系统的模型失效问题被简化为MILP可行性问题，从而实现高效的实时实现。
• T-可检测性确保了可在移动时域模式下执行故障检测，且不损失检测保证，最小T值可通过MILP计算得出。
• 对于智能建筑辐射系统，当测量内核温度时，检测故障需要T = 6，即使存在不确定性和噪声。
• 当不测量内核温度时，需要T > 100，表明内核温度在故障可检测性中起关键作用。
• 弱可检测性可实现对具有受限模式序列的故障的检测，例如仅在激活时可部分开启的泵，检测需要T = 8。
• 数值结果表明，当故障模式未激活时（例如第二台泵始终关闭），故障不会被检测到，证实检测仅在故障模式激活时才可能发生。