Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
A Bayesian approach to fault isolation with application to diesel engine diagnosis
KTH, School of Electrical Engineering (EES).
2007 (English)Licentiate thesis, monograph (Other scientific)
Abstract [en]

Users of heavy trucks, as well as legislation, put increasing demands on heavy trucks. The vehicles should be more comfortable, reliable and safe. Furthermore, they should consume less fuel and be more environmentally friendly. For example, this means that faults that cause the emissions to increase must be detected early. To meet these requirements on comfort and performance, advanced sensor-based computer control-systems are used. However, the increased complexity makes the vehicles more difficult for the workshop mechanic to maintain and repair. A diagnosis system that detects and localizes faults is thus needed, both as an aid in the repair process and for detecting and isolating (localizing) faults on-board, to guarantee that safety and environmental goals are satisfied.

Reliable fault isolation is often a challenging task. Noise, disturbances and model errors can cause problems. Also, two different faults may lead to the same observed behavior of the system under diagnosis. This means that there are several faults, which could possibly explain the observed behavior of the vehicle.

In this thesis, a Bayesian approach to fault isolation is proposed. The idea is to compute the probabilities, given ``all information at hand'', that certain faults are present in the system under diagnosis. By ``all information at hand'' we mean qualitative and quantitative information about how probable different faults are, and possibly also data which is collected during test drives with the vehicle when faults are present. The information may also include knowledge about which observed behavior that is to be expected when certain faults are present.

The advantage of the Bayesian approach is the possibility to combine information of different characteristics, and also to facilitate isolation of previously unknown faults as well as faults from which only vague information is available. Furthermore, Bayesian probability theory combined with decision theory provide methods for determining the best action to perform to reduce the effects from faults.

Using the Bayesian approach to fault isolation to diagnose large and complex systems may lead to computational and complexity problems. In this thesis, these problems are solved in three different ways. First, equivalence classes are introduced for different faults with equal probability distributions. Second, by using the structure of the computations, efficient storage methods can be used. Finally, if the previous two simplifications are not sufficient, it is shown how the problem can be approximated by partitioning it into a set of sub problems, which each can be efficiently solved using the presented methods.

The Bayesian approach to fault isolation is applied to the diagnosis of the gas flow of an automotive diesel engine. Data collected from real driving situations with implemented faults, is used in the evaluation of the methods. Furthermore, the influences of important design parameters are investigated.

The experiments show that the proposed Bayesian approach has promising potentials for vehicle diagnosis, and performs well on this real problem. Compared with more classical methods, e.g. structured residuals, the Bayesian approach used here gives higher probability of detection and isolation of the true underlying fault.

Abstract [sv]

Både användare och lagstiftare ställer idag ökande krav på prestanda hos tunga lastbilar. Fordonen ska var bekväma, tillförlitliga och säkra. Dessutom ska de ha bättre bränsleekonomi vara mer miljövänliga. Detta betyder till exempel att fel som orsakar förhöjda emissioner måste upptäckas i ett tidigt stadium.

För att möta dessa krav på komfort och prestanda används avancerade sensorbaserade reglersystem.

Emellertid leder den ökade komplexiteten till att fordonen blir mer komplicerade för en mekaniker att underhålla, felsöka och reparera.

Därför krävs det ett diagnossystem som detekterar och lokaliserar felen, både som ett hjälpmedel i reparationsprocessen, och för att kunna detektera och lokalisera (isolera) felen ombord för att garantera att säkerhetskrav och miljömål är uppfyllda.

Tillförlitlig felisolering är ofta en utmanande uppgift. Brus, störningar och modellfel kan orsaka problem. Det kan också det faktum två olika fel kan leda till samma observerade beteende hos systemet som diagnosticeras. Detta betyder att det finns flera fel som möjligen skulle kunna förklara det observerade beteendet hos fordonet.

I den här avhandlingen föreslås användandet av en Bayesianska ansats till felisolering. I metoden beräknas sannolikheten för att ett visst fel är närvarande i det diagnosticerade systemet, givet ''all tillgänglig information''. Med ''all tillgänglig information'' menas både kvalitativ och kvantitativ information om hur troliga fel är och möjligen även data som samlats in under testkörningar med fordonet, då olika fel finns närvarande. Informationen kan även innehålla kunskap om vilket beteende som kan förväntas observeras då ett särskilt fel finns närvarande.

Fördelarna med den Bayesianska metoden är möjligheten att kombinera information av olika karaktär, men också att att den möjliggör isolering av tidigare okända fel och fel från vilka det endast finns vag information tillgänglig. Vidare kan Bayesiansk sannolikhetslära kombineras med beslutsteori för att erhålla metoder för att bestämma nästa bästa åtgärd för att minska effekten från fel.

Användandet av den Bayesianska metoden kan leda till beräknings- och komplexitetsproblem. I den här avhandlingen hanteras dessa problem på tre olika sätt. För det första så introduceras ekvivalensklasser för fel med likadana sannolikhetsfördelningar. För det andra, genom att använda strukturen på beräkningarna kan effektiva lagringsmetoder användas. Slutligen, om de två tidigare förenklingarna inte är tillräckliga, visas det hur problemet kan approximeras med ett antal delproblem, som vart och ett kan lösas effektivt med de presenterade metoderna.

Den Bayesianska ansatsen till felisolering har applicerats på diagnosen av gasflödet på en dieselmotor. Data som har samlats från riktiga körsituationer med fel implementerade används i evalueringen av metoderna. Vidare har påverkan av viktiga parametrar på isoleringsprestandan undersökts.

Experimenten visar att den föreslagna Bayesianska ansatsen har god potential för fordonsdiagnos, och prestandan är bra på detta reella problem. Jämfört med mer klassiska metoder baserade på strukturerade residualer ger den Bayesianska metoden högre sannolikhet för detektion och isolering av det sanna, underliggande, felet.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH , 2007. , viii, 124 p.
Series
Trita-EE, ISSN 1653-5146 ; 2007:05
Keyword [en]
Bayesian probability, fault diagnosis, fault isolation, Bayesian inference
National Category
Control Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-4294ISBN: 978-91-7178-577-0 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-4294DiVA: diva2:11684
Presentation
2007-03-06, E2, Lindstedtsvägen 3, Stockholm, 10:15
Opponent
Supervisors
Note
QC 20101115Available from: 2007-03-05 Created: 2007-03-05 Last updated: 2013-09-05Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(803 kB)1479 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 803 kBChecksum MD5
0014c1a8b0ec81f214a99c11f0e90e1050edc67542308f1ca087b9237570f04772250d33
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Pernestål, Anna
By organisation
School of Electrical Engineering (EES)
Control Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 1479 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 996 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf