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研究生: 謝瑋駿
Hsieh, Wei-Chun
論文名稱: 利用時間自動機合成診斷測試步驟的系統化方法
Systematic Synthesis of Diagnostic Test Plans with Timed Automata
指導教授: 張珏庭
Chang, Chuei-Tin
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 125
中文關鍵詞: 時間自動機診斷測試步驟模型驗證批次製程
外文關鍵詞: Timed automata, Diagnostic test plans, Model-checking tools, Batch processes
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  • 在批次工廠的操作過程中,不免會發生硬體設備的故障,倘若依據既有線上測量數據無法有效率地診斷出可能的失誤根源,輕則影響產能,重則造成財產損失及人員傷亡。一般而言,提高診斷效率的方式有二,除了增設額外感測器之外,執行測試步驟也是可以達到此一目的的手段。在過去的研究中,Kang與Chang (2014)曾以非時間自動機模式為基礎提出有效合成測試計畫的方法,但對於製程的描述以及失誤的判斷缺乏時間因素的考量。在本研究中,我們以時間自動機(timed automata)為基礎並且利用模型驗證工具UPPAAL (Behrmann et al., 2006),系統化的產生出診斷測試步驟。具體的工作項目有三,即(1)建構批次製程中所有設備元件的時間自動機模式、(2)利用模型驗證工具搜尋失誤可視事件串與(3)依據失誤可視事件串合成最適測試步驟。在本論文中我們以三個案例來展現此方式的可行性及正確性。

    Hardware failures are inevitable but random events in the useful life of a batch chemical plant. If these fault origins are not efficiently diagnosed, their consequences can be very serious and even catastrophic. In general, two remedial measures should be considered to enhance diagnostic performance of a given batch process, i.e., adding online sensors and/or implementing test operations. Since the former option has already been discussed extensively in the literature, the present study focuses only upon the latter. In a recent paper, Kang and Chang (2014) presented an effective method to generate diagnostic test plans on the basis of untimed automata. However, the failure-induced abnormal system behaviors cannot always be characterized adequately due to the lack of time-tracking mechanisms in their models. A systematic procedure synthesis strategy is therefore developed in the present work to address this issue by making use of timed automata and the model-checking capabilities of existing software UPPAAL (Behrmann et al., 2006). Three specific tasks are required to be performed in sequence:
    (1) All embedded components in the given process are first described with timed automata according to a set of systematic model-building rules;
    (2) All fault propagation scenarios and the corresponding observable event traces (OETs) are identified next with the above models and the model-checking tools in UPPAAL;
    (3) The optimal test plan for every OET is then established with the same models and tools.
    Extensive case studies have been carried out in this work to confirm the validity and effectiveness of the proposed approach.

    目錄 摘要 I Abstract II Extended Abstract III 誌謝 IX 目錄 X 表目錄 XIV 圖目錄 XV 第一章 緒論 1 1.1研究動機 1 1.2文獻回顧 1 1.3研究目的 3 1.4章節與組織 4 第二章 時間自動機模型的架構 5 2.1建構元素 5 2.2時間自動機模型的基本裝置 6 2.3批次製程的建模規則 9 2.3.1批次製程的分層結構 9 2.3.2時間自動機模型的建模方法 10 2.4案例說明 10 2.4.1系統描述 10 2.4.2設備元件模型(第一步) 13 2.4.3控制器模型(第二步) 16 2.4.4同步設定(第三步) 18 第三章 失誤傳播路徑的搜尋方法 20 3.1模型驗證 20 3.2查詢語言 21 3.2.1狀態公式 21 3.2.2路徑公式 22 3.3失誤傳播機制的推論步驟 24 3.4案例說明 25 3.4.1性質驗證 25 3.4.2可視失誤事件串 39 第四章 診斷測試步驟的搜尋方法 44 4.1測試步驟的合成流程 44 4.2案例說明 47 4.2.1性質驗證-Trace 1 47 4.2.2性質驗證-Trace 3 56 4.2.3性質驗證-Trace 4 58 4.2.4最適測試步驟 64 第五章 案例探討 67 5.1三儲槽系統 67 5.1.1系統描述 67 5.1.2時間自動機模型 70 5.1.2.1設備元件模型(第一步) 70 5.1.2.2控制器模型(第二步) 72 5.1.2.3同步設定(第三步) 73 5.1.3失誤傳播路徑 78 5.1.4診斷測試步驟 86 5.2蒸發系統 89 5.2.1系統描述 89 5.2.2時間自動機模型 93 5.2.2.1設備元件模型(第一步) 93 5.2.2.2控制器模型(第二步) 100 5.2.2.3同步設定(第三步) 102 5.2.3失誤傳播路徑 104 5.2.4診斷測試步驟 114 第六章 結論與展望 120 6.1研究結論 120 6.2未來展望 120 參考文獻 122 表目錄 表2.1 液體儲槽系統可能發生的故障 11 表2.2 液體儲槽系統模型的同步設定 19 表3.1 液體儲槽系統可能的失誤根源 42 表5.1 三儲槽系統可能發生的故障 69 表5.2 三儲槽系統模型的同步設定 77 表5.3 三儲槽系統可能的失誤根源 83 表5.4蒸發系統可能發生的故障 91 表5.5 蒸發系統模型的同步設定之ㄧ 102 表5.6 蒸發系統模型的同步設定之二 103 表5.7 蒸發系統可能的失誤根源 112 圖目錄 圖2.1 (a)初始位置 (b)緊急位置 (c)待發位置 7 圖2.2 批次製程中的分層結構 9 圖2.3 液體儲槽系統 12 圖2.4 液體儲槽系統在正常操作下的順序功能圖 12 圖2.5 驅動器的時間自動機模型 14 圖2.6 程序單元(液體儲槽Tank)的時間自動機模型 16 圖2.7 控制器(Cont)的時間自動機模型 18 圖3.1 模型驗證的方法 21 圖3.2 五個常見的CTL公式 23 圖3.3失誤傳播機制的推論流程 24 圖3.4 模型Cont在位置s1上形成僵局的路徑圖之一 27 圖3.5 模型Cont在位置s1上形成僵局的路徑圖之二 28 圖3.6 模型Cont在位置s1上形成僵局的路徑圖之三 29 圖3.7 模型Cont在位置s1上形成僵局的路徑圖之四 30 圖3.8 模型Cont在位置s4上形成僵局的路徑圖 31 圖3.9 模型Cont在位置s3上形成僵局的路徑圖之一 32 圖3.10 模型Cont在位置s3上形成僵局的路徑圖之二 33 圖3.11 模型Cont在位置s6上形成僵局的路徑圖 35 圖3.12 模型Cont在位置s5上形成僵局的路徑圖之一 36 圖3.13 模型Cont在位置s5上形成僵局的路徑圖之二 38 圖3.14 液體儲槽系統之失誤可視事件串 43 圖4.1 診斷測試步驟的合成流程 46 圖4.2 經增修的控制器(Cont_test1)時間自動機模型 48 圖4.3 診斷Trace 1之測試步驟(Test1_1A)的時間自動機模型之一 48 圖4.4 失誤可視事件串(Trace 1)之測試步驟路徑圖之一 50 圖4.5 診斷Trace 1之測試步驟(Test1_1B)的時間自動機模型之二 51 圖4.6 失誤可視事件串(Trace 1)之測試步驟路徑圖之二 53 圖4.7 診斷Trace 1之測試步驟(Test1_2A)的時間自動機模型之三 55 圖4.8 經增修的控制器(Cont_test3)時間自動機模型 57 圖4.9 診斷Trace 3之測試步驟(Test3_1A)的時間自動機模型 57 圖4.10 經增修的控制器(Cont_test4)時間自動機模型 59 圖4.11 診斷Trace 4之測試步驟(Test4_1A)的時間自動機模型之一 59 圖4.12 失誤可視事件串(Trace 4)之測試步驟路徑圖之一 61 圖4.13 診斷Trace 4之測試步驟(Test4_1B)的時間自動機模型之二 62 圖4.14 失誤可視事件串(Trace 4)之測試步驟路徑圖之二 63 圖4.15 發生Trace 1時最適測試步驟之順序功能圖 66 圖4.16 發生Trace 4時最適測試步驟之順序功能圖 66 圖5.1 三儲槽系統 69 圖5.2 三儲槽系統在正常操作下的順序功能圖 70 圖5.3 驅動器的時間自動機模型(三儲槽系統) 74 圖5.4 程序單元(儲槽T-1 Tank1)的時間自動機模型(三儲槽系統) 74 圖5.5 程序單元(儲槽T-2 Tank2)的時間自動機模型(三儲槽系統) 75 圖5.6 程序單元(儲槽T-3 Tank3)的時間自動機模型(三儲槽系統) 75 圖5.7 控制器(Cont)的時間自動機模型(三儲槽系統) 76 圖5.8 三儲槽系統之失誤可視事件串之ㄧ 84 圖5.9 三儲槽系統之失誤可視事件串之二 85 圖5.10 發生Trace 12時最適測試步驟之順序功能圖(三儲槽系統) 88 圖5.11 發生Trace 13時最適測試步驟之順序功能圖(三儲槽系統) 88 圖5.12 蒸發系統 92 圖5.13蒸發系統在正常操作下的順序功能圖 92 圖5.14 驅動器的時間自動機模型(蒸發系統) 95 圖5.15 程序單元(T-1液位Tank1_L)的時間自動機模型(蒸發系統) 96 圖5.16 程序單元(T-1溫度Tank1_T)的時間自動機模型(蒸發系統) 96 圖5.17 程序單元(T-1濃度Tank1_Q)的時間自動機模型(蒸發系統) 97 圖5.18 程序單元(T-2液位Tank2_L)的時間自動機模型(蒸發系統) 97 圖5.19 程序單元(T-2溫度Tank2_T)的時間自動機模型(蒸發系統) 98 圖5.20 程序單元(冷凝器C-1流量C1)的時間自動機模型(蒸發系統) 98 圖5.21 計時器(Timer)的時間自動機模型(蒸發系統) 100 圖5.22 濃度感測器(QIS)的時間自動機模型(蒸發系統) 100 圖5.23 控制器(Cont)的時間自動機模型(蒸發系統) 101 圖5.24 蒸發系統之失誤可視事件串 113 圖5.25 發生Trace 2時最適測試步驟之順序功能圖(蒸發系統) 118 圖5.26 發生Trace 3時最適測試步驟之順序功能圖(蒸發系統) 119 圖5.27 發生Trace 4時最適測試步驟之順序功能圖(蒸發系統) 119 圖5.28 發生Trace 5時最適測試步驟之順序功能圖(蒸發系統) 119

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    下載圖示 校內:2016-08-19公開
    校外:2016-08-19公開
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