TELKOM NIKA , Vol.11, No .11, Novemb er 201 3, pp. 6645 ~6 650   e-ISSN: 2087 -278X           6645      Re cei v ed Ap ril 23, 2013; Revi sed  Jun e  22, 2013; Accepted July 2 4 ,  2013   Safety Voting System Based on D-S Evidence Theory       Yue Xi, Feng Liu, Hongli Yuan, Dong bo Pan*   Facult y   of computer and infor m at ion science, South w est Universit y , 2# T i ansheng Road,  Beibei Dist.,  Cho ngq in g, Ch ina, 40 07 15   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l * : pand b@s w u . edu.cn       A b st r a ct   This thesis pr opos es a safety instrument  syst em w h ich is base d  o n  D-S evide n ce theory,   inclu d i n g  sens or, lo gic v o tin g   system an ex ecutio unit. W h ile  the  l ogic  v o ting  syste m  c oncl udes  the  i n put   circuit, pr ocess o r, outp u t circ u i t an d th dia g nosis   mod u l e  b a sed  o n  D-S  e v ide n ce t heory.  Accord ing  to t h e   dia gnos is mod u le i n  multi-ch ann el lo gic voti ng syst em  and  calcul ation b a s ed on D-S ev i denc e theory, th e   interco nnect e d  feedb ack inf o rmati on c an i m pr ove th e re l i abi lity of the  dia gnos is.  T h e r efore, the saf e ty   instrum e nt system elaborated   in this thes is c an  achieve sys tem’ s  se lf- d iagnosis  function  under the pr emise  of usin g l e ss  h a rdw a re  equ ip me nt a nd  at th mea n  ti me  a c quiri ng  adv an tages  of low  c o st, relia bil i ty a n d   high security.      Ke y w ords saf e ty instrument  system , safety functi on, D-S evidence th eory, reliability        Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Safety Ins t rument Sys t em (SIS), als o   k n ow as Sa fety Interlocki ng System, p l ays an   importa nt part in alarming  and interlo c king in in dustrial automati c  co ntrol, wh ose fun c tion  is  impleme n ting  alarm sy ste m , adjusting  or stop ping  t he machine s   according to the testing results  from the  co ntrol  system s [ 1 , 2]. SIS sha ll execute   its  safety control  function  time ly and  corre c t l to prevent or  redu ce the o c curre n ce of dange rou s  a c cidents, where a s a cci dent s will hap pen.    At present, there are many  methods for  sa fety  instru ment system  to achieve its safety  function, amo ng whi c h pro babili stic met hod is t he m o st favorite way to measure security and  risk  assessm ent, such as  Relia bility Block Di agram  (RBD) [3], Fa ult Tree Anal ysis  (FTA ) [4-6]  and M a rkov  Analysis (MA )  [7-9] or M a rkov co mbi ned  with oth e r a nalysi s  [ 10], and  so   on.  However, these m e thods  still hav some uncertain fa ctors in assessing.  The D-S evidence  theory a r o s e,  whi c wa s first  put forwa r d by  De mpst er in 1 967, fu rther  pro m ote d  and  develo ped  by Shafer in 1976. D-S eviden ce theo ry acqui re s uni que advanta g e s to solve th e uncertaintie s   mentione d ab ove.   In view of th e  ch ara c te risti c s of D-S evi den ce the o ry  and th e p r e s ent situ ation  of safety  instru ment system, this thesi s  presen ts a sa fety instru ment sy stem ba sed  on D-S evid ence  theory, who s e metho d  i s  t hat un der the  multi-c han ne logic  voting system struct ure and   thro u g h   prop er calcul ation, whet h e r inde pend e n t or inte rlo c ked cha nnel s, the output re sults will p r ov ide   stron g  evid e n ce s fo r oth e cha nnel s.  The s e ev id ences  will fo rm  some  ce rtain or  un ce rtain   feedba cks  so  as to improv e system’ s  re liability  and secu rity, while  D-S eviden ce theory exactl provide s   axio m syst em in  pro c e s sing  the  certai nties and  un ce rta i nties. Th erefore, the  safe ty  instru ment  system ela b o r at ed in thi s  the s is  ca n a c hie v e system’ s   self-di agn osi s  function  und er  the  premise of  usin le ss hard w a r e eq uipment and  at the mea n    time acquiri n g  advanta g e s  o f   low cost, relia bility and high  security.      2 D-S Ev ide n ce Theor y     2.1. Axiomatic Sy stem of Ev idence   D-S evid en ce theo ry ca n  be divide into  proba bility distributio n functio n , li kelih ood  function  and  De sp ster evid ence combin ation rul e   [11,  12].  Assum e  Fra m e of  Di scern m ent i s   then function  :2 0 , 1 m  sat i sf ies:   0 m 1 A mA  is calle d the basi c  pro babili ty  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 11, Novemb er 201 3:  664 5 – 6650   6646 distrib u tion o f  frame of di scern m ent  A () mA  is the basic probability of A . The  meanin g  of  () mA  is:  i f   A   and  A , thus   () mA  is the accu rate tru s t deg ree of  A ; and  if A  , thus   () mA  mean s it doesn’t kn ow ho w to all o cate it.   As  for  A  , the  defined fu ncti on Bel :2 0 , 1 m  by   () BA B el A m B  is  the reliability function  of  . A s  f o r A ,   pl  is call ed  the li kelih ood  fun c tion of Bel  i n () 1 ( ) pl A B e l A  The relation  of reliability functio n  an d li kelih ood fu nction is that  () Bel A  and  () pl A  are   respe c tively referred to the  lower limit fu nction a nd th e uppe r limit functio n  of () () pl A B e l A   2.2. Ev idence Combina t ion  Even the  sa me evid ence s , du e to  different  sour ce s, the p r ob abili ty assi gnm en ts will  be   different. The n  D-S eviden ce the o ry p u ts forw a r d to  usin g o r thogo nal meth od t o  co mbin e th ese   function s.   A ssu me  12 ,, , n mm m  are the  basic  probabilit y assi gnment functions  of 2 , their  orthog onal  12 n mm m m   are:     1 () 0 () ( ) , i ii AA in m mA k m A A                                                                                         (1)    in whi c 1 1 1( ) i ii AA in km A      2.3 Basic  Algorithm   (1) It is kn own  that: if  we  a s sum e  fram of disce r nm en t of some   field is 12 { , , ..., } n SS S  , propo sition  A B are the sub s et s of   , and the infere n c e rul e  sh all be:    , if E t h e n H C F     Among which E ,   H  are th e lo gic g r ou ping s of the prop o s ition,  CF  is the certai nty  factor, a nd  i c  means credibility.  For any proposition  A the ce rtainty factor  CF  of credibility  A  s hall satis f y:  (a)  0, 1 i ci n    (b) 1 1 i in c     (2) Evide n ce  De scription:  assum e   m is the defined basi c  probability assignment  function of  2 , then it shall m eet the followi ng co ndition s during  cal c ul ation:  (a)  ({ } ) 0 , ii mS S    (b)  1 ({ }) 0 1 i in mS     (c 1 () 1 ( { } ) i in mm S     (d)  () 0 , , 1 0 m A A and A o r A    among whi c h   A  means the f a ctor n u mb ers of pro positi on  A .   (3) Ina c curate Inferen c e M odel   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Safety Voting  System  base d  on D-S E v iden ce The o ry (Yue Xi)  6647 (a) Supp ose   A  is on e p a rt  propo sition  of re gula r   co ndition, u nde r the  conditi on of   eviden ce  E , th e matchin g  d egre e  of pro p o sition  A  and e v idence  E  is   1 (, ) 0 if E A MD A E Ot he r w i s e                                                                                                        (2)     (b) T he defini t ion of part propo sition A in regula r  condi tion is:     (, ) ( ) CE R M D A E f A       3. Safet y  Ins t rumen t  Sy st em Model ba sed on D-S Ev idence Theor y   Safety instru ment sy stem,  whi c h i s   ba se d  on  D-S  eviden ce the o ry, incl ude s se nsor,  logic voting  system and ex ecutio n unit. While the lo gi c voting syste m  con c lud e the input circuit,  pro c e s sor, ou tput circuit an d the diagn osis m odul e ba sed o n  D-S e v idence theory. Accordi ng to   the diagn osi s  mod u le in  multi-chann el logi c votin g  system  an d cal c ulatio n  based on  D-S   eviden ce the o ry, the intercon ne cted feedba ck in formation ca n improve the reliability of the   diagn osi s .   The follo wing  Figure 1 a n d  Figu re 2  are SIS  traditio nal logi c voti ng sy stem  structu r e s Take 1 oo1 a nd 1oo2 for  example. As it is show n in Figure 1, the 1oo1  syst em is the typical  inse cu re sy stem stru cture wit hout re dun dan cy and failure mod e  protection. Whil e in Figure 2 ,   1oo2  syste m   has t w o in de pend ent logi c solve r s. In  o r de r to di sco nne ct the sy stem relia bly, the   two outp u t ci rcuits  ado pt the method  of  seri al  conn ection. This  system not only  provide s  a  lo possibility of ineffectiveness, but  also increases the possibility of fail safety circuit, whi c h helps  to improve the reli ability of the sy stem.  The 1oo2 system in Fi gure 3 co ntains two  independent  electri c p a ssa ges a nd dia g nosti c ch ann els. If  the output cha nnel  detec t s  a pot ential dan gerous  failure, the system will automatically break the  circ uit in order to make  sure the actuator in a   safe state. Th e system’ s  di agno stic fun c tion wh i c h u s es ”refe r en ce ” method to d i agno se  syste m   reflect s  in ev ery ch ann el. 1oo2 syste m  not only  can tolerate safety failure,but also da n ger  failure. Wh en  it checks the  first critical f a ilu re, the sy stem will deg rade to 100 1 D ’s fun c tion  and   by onlin e m a i n -tainin g , the  syste m   can   return to   1oo 2D  structu r e.  Figu re  4 i s  t he 1 oo2  sy stem  stru cture with  D-S diag no si tech nolo g y mentione d ab ove.            Figure 1. Typical 1o o1 System Structu r in  Logi c Voting System  Figure 2. Typical 1o o2 System Structu r in  Logi c Voting System      Furthe r, logic voting syste m  adopts 1 o o 2  st ru cture. And the diagn o s is mo dule b a se d on  D-S evide n ce  theory incl ud es stat e-spa c e ident ificatio n modul e, function mo dule  and calculatio module.   a)  Acco rdi ng to  dual chan nel  st ru cture, stat e-spa c e id ent ificat ion mo d u le dete r mine s the state   and  spa c e, which  will com pose a fra m e  of discernme n . And these state s  will a ll together  comp ose to a serie s  of fra m e of discern m ents:   ,1 , 0 , 0 , 1    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 11, Novemb er 201 3:  664 5 – 6650   6648 b)  Acco rdi ng to the reliability, function est ablishe s mod u les an d ba si c pro bability assignm ent  function by  frame of  discernm ent  :2 [ 0 , 1 ] m , and la st gets the ba sic  p r oba bility  assignm ent.          Figure 3. Typical 1o o2 System Stru cture in  Logi c Voting System  Figure 4. 1oo 2 System Structure with D-S  Diag no sis      For chan nel o ne:     12 {1} ( | ) x mP A A                                                                                                                  (3)  __ 12 {0 } ( | ) x mP A A                                                                                                        (4)  __ 12 12 {0 , 1 } ( ) ( ) x mP A A P A A                                                                                                (5)    For chan nel two:       21 {1 } ( | ) y mP A A                                                                                                                   (6)  __ 21 {0 } ( | ) y mP A A                                                                                                                   (7)  __ 21 2 1 {0 , 1 } ( ) ( ) y mP A A P A A                                                                                            (8)    c) Accordi ng  to  probabilit y assignm ent, cal c ulation module calc ulates the orthogonal. It will first  cal c ulate  1 {} {} xy xy km m   , and then  {} m , thereby obtaining reliability measure.  The advanta ge of this system is that safety  instrum ent system which i s  based  on D-S   eviden ce the o ry ado pts th e Moo N  logi voting syst em  from D-S self -diag n o s is te chn o logy. It has  taken full u s e  of redun dant  line of evide n ce fu n c tion,  whi c h can p r odu ce s stron g  feedba cks t o   the  inp u t sig nal co rre ctly outputting an st ren g theni ng the  out pu t relia bility. Compa r ed  to t h e   MooN lo gic v o ting system  of non-di agn osi s  tech nol o g y, this can  signifi cantly improve the ri ght  output  sign al  relia bility an d dia gno stic  coverage.  Al so,  comp are d  to the  Moo N D sy stem  with  diagn osi s  te chnolo g y, D-S  self-diagn osi s  tec hnol ogy  can  re duce t he chan nel d i agno si s ci rcuit,  almost a c qui re the perfo rm ances of Moo ND  system  a nd at the me an time red u ce the addition al  failure ri sk, improvin g system’s reli abilit y and se curit y       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Safety Voting  System  base d  on D-S E v iden ce The o ry (Yue Xi)  6649 4. Case  Anal y s is  This  part u s e s  1o o2 lo gic  stru cture a s   a pref erred  case to  elab orate the p r in ci ple of  safety voting system  with  D-S evide n ce algo rithm. For ea ch  ch annel, the r are two defin ite  states { r eli a ble}, {un r elia ble} an d on e i ndefinite  state {un k nown}. Wh e n  {reli able}  and  {unreliabl e} a r e ex-p resse d   in ch ann el one, cha nnel  two will  give   the sam e  con c lu sion, whi c is  descri bed  a s  {1},  {0}.  Wh ile {u nknown }  is ex presse d in  ch ann el one,  ch ann el two  will  gi ve  oppo site con c lu sion, which denote in { 0 ,1}, and vice  versa.    Assu me  cha nnel o ne’s  reliability is 9 5 %,  and cha nnel two’s i s  90%. Adopti ng 1o o2  stru cture, the corre c t outp u t signal’ s  re liability  is 85 .5%, while a dopting 1 oo2 D, the co rre ct  output sig nal ’s reli ability is above 9 9 . 5%. The  failure p o ssibili ty of using D-S dia gno si techn o logy can be calcula t ed as follo we d (su ppo se th e two ch ann e l s are in dep e ndent):   For chan nel o ne:    12 1 { 1 } ( | ) ( ) 95% x mP A A P A                                                                                (9)  __ 12 { 0 } ( | ) 0. 5% x mP A A                                                                                                       (10)  __ 12 1 2 {0 , 1 } ( ) ( ) 4 . 5 % x mP A A P A A                                                                          (11)    For chan nel two:     21 2 {1} ( | ) ( ) 9 0 % y mP A A P A                                                                                  (12)  __ 21 {0 } ( | ) 0 . 5 % y mP A A                                                                                             (13)  __ 21 21 {0 , 1 } ( ) ( ) 9 . 5 % y mP A A P A A                                                                           (14)    so:     1 {} {} { 1 }{ 1 } { 1 }{ 0 , 1 } { 0 }{ 0 } { 0 }{ 0 , 1 } { 0 ,1 } { 1 } { 0 ,1 } { 0 } { 0 ,1 } { 0 , 1 } 0. 99 075 xy xy xy xy x y x y xy xy xy km m mm mm m m m m m m mm mm              (15)    then:    {1 } {1} { } { } 1 ( { 1} {1} { 0 , 1} {1} { 1} { 0 , 1 } ) 0. 99075 0. 9949 5 3 xy xy xy x y x y mk m m mm m m mm                         (16)    {0 } {0 } { } { } 1 ( { 0 } {0 } { 0 , 1 } {0 } { 0 } {0 , 1 } ) 0. 990 75 0 . 00 073 2 xy xy xy x y xy mk m m mm m m m m                           (17)    {0 , 1 } {0 , 1 } { } { } 1 ({ 0 , 1 } { 0 , 1 } ) 0. 99075 0. 0 04315 xy xy mk m m mm                                                                                        (18)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 11, Novemb er 201 3:  664 5 – 6650   6650 Therefor, the  relia ble  out put si gnal  o f  1oo2  of D-S self-dia gn osi s  te chn o logy is  99.495 3%, which  is  signifi cantly b e tter  than n o n - di a gno sis techn o logy of  1oo 2 an d i s   clo s e to   the 1oo2 D structure with di agno si s circui t.      5. Conclusio n   This th esi s   h a pro p o s ed  a safety voting sy stem b a sed on  D-S ev iden ce the o ry . Whe n   applie d into case, the follo wing  con c lu si ons  can b e  drawn:    (1)  To ac hieve the  s a fety sec u rity func tion,  the  safety inst rume nt system  can  provide axio m   system in p r ocessin g  the feedba cks of  channel s’ ce rtaintie s and uncert a inties. And   according to  the chann el s’ interlo c ked  f eedbacks and ba sed o n  the calcula t ion of D-S  eviden ce the o ry, it will improve the reli a b ility of diagnosi s .   (2)  Safety voting system  can achi eve system’s self-di a gnosi s   func tion, improving SI S’ reliability.  Case analysi s  has  shown that its output  signal  reliability is obv iously better than non- diagn osi s  structure and i s  clo s e to structure with dia g nosi s  ci rcuit.   (3)  The cost of  safety voting system re du ce s co mpa r ing  with traditio n a l system s.  And it use s   fewer  hardwa r e eq uipme n ts to ac hieve  the expecte d  safety func ti on. In the existing safety  instru ment  system, logi c voting sy stem is  ei ther  without self -diag n o s is m e ch ani sm,  or  having comp licated dia g n o stic  circuit, whi c h re sult s in high co st. Therefore,  the safety  instru ment  sy stem  elab ora t ed in  this th esi s   c a n ac hie v e  s y s t e m ’s   s e lf-d ia gn os is fu nc tio n   unde r the premise  of usi ng less ha rd ware  equi pm ent and at the mea n  time acq u irin g   advantag es o f  low co st, high availability and security.      Ackn o w l e dg ements   We a r e g r atef ul to our  colle ges  and  cla s smate s  Ya Li,  Xiaoge Zh an g and Xinyan g Den g   who  intro d u c ed u s  to  ma ny of the to pic  discu s se d in thi s   pa per. T han ks  are  due  to  any  anonymo us referee  for co mments that  help ed in crease the  su bject s   covere d in thi s  p a p e r .   Partial finan -cial  sup p o r t from the  Na tional Hi gh  Tech nolo g Re sea r ch a n d  Devel opm ent  Program of  Chin a (No. 2 012AA04 110 1), the Fu n d a mental Re search  Fo und s for the  Ce ntral  Universitie s  (No. XD-JK20 13C029 ) ar e also g r atefull y  ackn owl edg ed.      Referen ces   [1]    Internatio na l E l ectrotech n ica l  Commissi on.   IEC 615 08.  F unction al S a fety of Electric al/Electro nic/   Progra mmabl e  Electronic Saf e ty Relate d Systems . Genev a :  IEC Press; 2000.   [2]    Internatio na Electrotech n ic al C o mmissi o n . IEC 61 51 1 .   Functional Safety:  Sa fety Instrumented  System s for the Process Industry Sector . Ge neva: IEC Pres s; 2003.   [3]    Anatol Lis n ia n ski, Exte nde Block D i agr am  Me thod f o r a  Multi-state S y s t em Rel i ab ilit Assessment.   Reli ab ility Eng i neer ing a nd Sy stem Safety . 2 007; 92: 1 601- 160 7.  [4]    Andrija Volkanovski, Marko  Y epin and Borut Mavko. Ap plication of  the Fault tree  Analy s is for   Assessment of  Po w e r S y st em Relia bil i t y R e l i abi lity Eng i ne e r ing a nd Syste m  Safety . 200 9 ;  94: 1116- 112 7.  [5]    GuoYan  Ch en,  Xi an gg en Y i n,  Kai Z h ang. C o mmuni c a tio n   Mode lin g for  W i de-Are a  Re l a y Protectio n   Based o n  IEC 618 50.  TEL K OMNIKA . 2012; 10(7): 16 73- 16 84.   [6]    GUO Haitao,  YANG Xi an hui. A Sim p le  Reli ab ilit y Bl ockdi agram M e thod for S a f e t y  Inte gri t Verification.  Re liab ility En gin e e rin g  & System Safety . 2007; 92(9): 12 67- 12 73.   [7]    GUO Haitao,  YANG Xian hu i. Q uantitativ e R e lia bi lit y Asses s ment for Safe t y  R e late d S y s t ems Usi n g   Markov Models Journal T s in g hua U n iv (Sci  &T ech) . 2008;   48(1): 149- 15 2,156.   [8]    Hon g she n g  S u . Re lia bil i t y   and  Sec u rit y   Anal ys is o n   T w o- Cel l  D y n a mic R e d u n d ant S y stem.   TELKOMNIKA.   2013; 11( 5).  [9]    B Kne g terin g , AC Bromb a c her. App lic ati on of  M i cro- Markov Mo del s for Quantit ative Saf e t y   Assessment to Determi ne  Safet y  Inte grity L e vels as  Defin ed b y  th e IEC 6150 8  Standard fo r   F unction al Saf e t y Re lia bil i ty Engi neer in g an d System Safet y . 1999; 66: 17 1-17 5.  [10]    Don gbo P an,  Hon g li Y u a n , Pengfe i   Xu, Fen g  Li u.  Rel i a b ilit y of S a fet y  Ins t rument S y ste m  Based  O n   Markov Mod e and D-S Evi d e n ce T heor y .   Ad vance d  Materi als Res earch . 201 3.  [11]    A Dem p ster.  Upp e r a n d  L o w e r  Prob ab ili ties Ind u ce b y  a  Mu ltival ued  Ma ppi ng.   An na l s  of  Mathe m atics a nd Statistics . 1967; 38( 2): 325 -339.   [12]   G Shafer. A Mathematic al T heor y   of Evide n c e. Princeton:  Prin ceto n Univ ersit y  Press. 1 976.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.