[发明专利]构建解决组合爆炸问题的级联贝叶斯网络的方法

摘要

一种构建解决组合爆炸问题的级联贝叶斯网络的方法，本发明包含两个核心部分：A由系统通路构建级联贝叶斯网络拓扑结构的方法；B级联贝叶斯网络的中间节点概率参数设置方法。首先完成贝叶斯网络拓扑结构的构建，该网络拓扑结构与工程实践中的故障级联构型一致，再完成并贝叶斯网络各节点条件概率表的设置，最后共同完成了级联贝叶斯网络的构建。当级联贝叶斯网络构建完毕，能够运用任何已有贝叶斯网络推理技术对该级联贝叶斯网络进行推理计算，以求得系统可靠度。本发明能够在保证系统可靠度计算结果正确的同时，有效减少网络中的概率参数，具体是将各通路上概率参数个数从指数级降低到线性级，提高了计算效率，解决了组合爆炸问题。

主权项

1.一种构建解决组合爆炸问题的级联贝叶斯网络的方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，为可靠性框图中的各方框建立分别对应的贝叶斯网络根节点：所述每个贝叶斯网络根节点包含0/1两种状态；其中，“0”表示正常，“1”表示故障；所述贝叶斯网络是一个有向无环图，由代表变量的节点及连接这些节点的有向边构成；有向边用单箭头表示，与箭尾连接的节点称为父节点，与箭头连接的节点称为子节点；在贝叶斯网络中，不存在任何父节点的节点称为根节点；既存在父节点又存在子节点的节点称为中间节点；仅存在父节点不存在子节点的节点称为叶节点；各贝叶斯网络根节点的变量符号与各自在可靠性框图中分别对应的方框符号相同；步骤2，找出可靠性框图中的所有通路及各通路上的元件：通过图的遍历算法找出可靠性框图中的所有通路及各通路上的元件；所述可靠性框图存在一个起点和一个终点；所述通路在可靠性框图中指的是从可靠性框图起点到终点的路径；在所述可靠性框图中同时存在多条通路；所述的每条通路上若先后多次重复出现同一个元件，则重复出现的同一个元件仅保留一个；对于任意一条通路，其任意元件故障时，系统故障；当通路上所有元件均正常时，系统正常；步骤3，对通路上除第一个元件外的所有元件建立贝叶斯网络中间节点，并连接贝叶斯网络中间节点与步骤1中的贝叶斯网络根节点；对于每条通路，为该通路上除过第一个元件外的所有元件，建立唯一对应的贝叶斯网络节点作为贝叶斯网络中的中间节点，并按通路上元件顺序，依次用单箭头连接建立的贝叶斯网络的中间节点：由通路上前一个元件对应的中间节点指向通路上后一个元件的中间节点；各中间节点依次相连后形成的结构称为级联构型；同时，在已建立的级联构型上，对每条通路上除过第一个元件外的所有元件，绘制单箭头并连线：由元件的对应贝叶斯网络根节点指向元件的对应贝叶斯网络中间节点；在本步骤中，建立的所有贝叶斯网络中间节点均包含0/1两种状态；“0”正常，“1”表示故障；须对步骤2中找出的所有通路依次重复本步骤所述的对通路上所有元件建立贝叶斯网络中间节点，并连接贝叶斯网络中间节点与步骤1中的贝叶斯网络根节点的过程；步骤4，连接各通路上第一个元件对应的贝叶斯网络根节点与通路上第二个元件对应的贝叶斯网络中间节点；具体为，对于步骤2中的所有通路，绘制单箭头并连线：由通路上第一个元件在步骤1中建立的对应贝叶斯网络根节点指向通路上第二个元件在步骤3中建立的对应贝叶斯网络中间节点；步骤5，建立表示系统状态的贝叶斯网络叶节点Sys；该节点包括0/1两种状态，“0”表示系统正常，“1”表示系统故障；步骤6，连接通路上末端元件的对应贝叶斯网络中间节点与叶节点Sys；所述的连接具体指的是，绘制单箭头并由各条通络上最后一个元件在步骤3中建立的对应贝叶斯网络中间节点指向步骤5中所建立的贝叶斯网络叶节点Sys；步骤7：确定根节点的条件概率；为步骤1建立的所有贝叶斯网络根节点确定根节点的条件概率；各根节点的条件概率表中包括2个条件概率值Pr(X)；其中X为贝叶斯网络中的根节点；当根节点为0时，条件概率值Pr(X)＝R；当根节点为1时，条件概率值Pr(X)＝1.0—R；所述的R为各根节点在系统中对应元件的可靠度；步骤8，确定所有贝叶斯网络中间节点的条件概率；各中间节点均有两个父节点，且每个中间节点及其父节点均有两种状态；所述的条件概率值为Pr(X|π(X))，其中的X表示贝叶斯网络中的中间节点，π(X)表示贝叶斯网络中间节点的两个父节点；其中：当父节点1为0、父节点2为0时，中间节点为0的概率等于1.0；当父节点1为0、父节点2为0时，中间节点为1的概率等于0.0；当父节点1为0、父节点2为1时，中间节点为0的概率等于0.0；当父节点1为0、父节点2为1时，中间节点为1的概率等于1.0；当父节点1为1、父节点2为0时，中间节点为0的概率等于0.0；当父节点1为1、父节点2为0时，中间节点为1的概率等于1.0；当父节点1为1、父节点2为1时，中间节点为0的概率等于0.0；当父节点1为1、父节点2为1时，中间节点为0的概率等于1.0；步骤9，确定贝叶斯网络叶节点Sys的条件概率；所述叶节点Sys的条件概率中，叶节点及其父节点状态组合、状态组合对应的概率值须服从“与”逻辑；所述“与”逻辑有两层含义：当且仅当叶节点所有的父节点失效时，叶节点Sys才必然失效；当叶节点的任意父节点状态正常时，叶节点必然正常；具体是：当节点hj1为0、节点ij2为0、节点Sys为0时，条件概率值Pr(Sys|hj1,ij2)等于1.0；当节点hj1为0、节点ij2为0、节点Sys为1时，条件概率值Pr(Sys|hj1,ij2)等于0.0；当节点hj1为0、节点ij2为1、节点Sys为0时，条件概率值Pr(Sys|hj1,ij2)等于1.0；当节点hj1为0、节点ij2为1、节点Sys为1时，条件概率值Pr(Sys|hj1,ij2)等于0.0；当节点hj1为1、节点ij2为0、节点Sys为0时，条件概率值Pr(Sys|hj1,ij2)等于1.0；当节点hj1为1、节点ij2为0、节点Sys为1时，条件概率值Pr(Sys|hj1,ij2)等于0.0；当节点hj1为1、节点ij2为1、节点Sys为0时，条件概率值Pr(Sys|hj1,ij2)等于0.0；当节点hj1为1、节点ij2为1、节点Sys为1时，条件概率值Pr(Sys|hj1,ij2)等于1.0；至此，通过步骤1～9完成了可靠性框图等价级联贝叶斯网络的构建。