Context: As Industrial Cyber-Physical Systems (ICPS) become more connected and widely-distributed, often operating in safety-critical environments, we require innovative approaches to detect and diagnose the faults that occur in them. Objective: We profile fault identification and diagnosis techniques employed in the aerospace, automotive, and industrial control domains. By examining both theoretical presentations as well as case studies from production environments, we present a profile of the current approaches being employed and identify gaps. Methodology: A scoping study was used to identify and compare fault detection and diagnosis methodologies that are presented in the current literature. Results: Fault identification and analysis studies from 127 papers published from 2004 to 2019 reveal a wide diversity of promising techniques, both emerging and in-use. These range from traditional Physics-based Models to Data-Driven Artificial Intelligence (AI) and Knowledge-Based approaches. Predictive diagnostics or prognostics featured prominently across all sectors, along with discussions of techniques including Fault trees, Petri nets and Markov approaches. We also profile some of the techniques that have reached the highest Technology Readiness Levels, showing how those methods are being applied in real-world environments beyond the laboratory. Conclusions: Our results suggest that the continuing wide use of both Model-Based and Data-Driven AI techniques across all domains, especially when they are used together in hybrid configuration, reflects the complexity of the current ICPS application space. While creating sufficiently-complete models is labor intensive, Model-free AI techniques were evidenced as a viable way of addressing aspects of this challenge, demonstrating the increasing sophistication of current machine learning systems.(Abridged)


翻译:随着工业网络-物理系统(ICPS)日益相互关联和广泛分布,而且往往在安全临界环境中运作,我们需要采取创新方法来发现和诊断其中出现的缺陷。目标:我们通过分析在航空航天、汽车和工业控制领域采用的过失识别和诊断技术;通过审查理论介绍以及生产环境中的案例研究,我们介绍了目前采用的方法的概况,并找出差距。方法:使用范围界定研究来确定和比较现有文献中显示的故障检测和诊断方法的精度。结果:从2004年至2019年发表的127份论文的错误识别和分析研究揭示出各种有希望的技术,包括新兴技术和使用中的技术。目标:从传统的基于物理的模型到基于数据的人造智能(AI)和基于知识的方法。我们通过对所有部门的预测性诊断或预测性分析,以及包括“断层树”、“网”和“马科夫”方法的讨论,我们还介绍了一些技术已经达到最高技术易读程度,揭示了各种有希望的技术,包括新兴技术和在使用中的技术。这些方法是如何被广泛应用的,表明这些方法是如何在现实环境中被广泛应用的。

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