CN106886667A - 一种基于事件调度的复杂***可用性分析方法 - Google Patents

一种基于事件调度的复杂***可用性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于事件调度的复杂***可用性分析方法。该方法在考虑部件和***故障/修理时间概率分布特性以及修理策略的基础上，以事件调度方法为仿真框架，通过建立部件解析模型和概率模型，建立***的可用仿真模型，由此来模拟具有多状态复杂***的可用性，该方法可以实现3种功能：a)不同目标区间内***可用性计算；b）确定关键部件对***可靠性的影响程度；c）准确统计***平均故障时间、***平均维修时间、故障次数/维修次数等参数。本发明可以实现多状态多部件复杂***的可用性计算，其计算过程逼近于***的真实过程，反映出***内各部件之间的关联和影响影响因素和概率特性，有很强的工程应用价值和商业推广价值。

Description

一种基于事件调度的复杂***可用性分析方法
技术领域
本发明涉及一种可用性分析方法，具体涉及一种基于事件调度的复杂***可用性分析方法，属于复杂***可靠性技术领域。
背景技术
目前，复杂***的可靠性和可用性研究是工程领域、试验学以及社会科学研究的重点。研究方法主要有解析方法和仿真方法。解析方法主要采用随机过程理论构建***的解析模型，很难实现复杂***的可用度计算；仿真方法可以研究多部件多状态的***可用性，比较常用的是通过蒙特卡洛仿真方法，但是该方法在计算***可用度时，当***部件和状态较多时，容易出现空间***的问题。
另一方面，随着可用度的研究越来越受到重视，其商业价值也越来越大，国外研究人员开发了比较成熟的商业软件：Avsim(www.isograph-software.com)、Raptor(www.arinc.com/products/raptor/index.html)以及Blocksim(www.reliasoft.com/Blocksim)，但是商业软件由于其昂贵的成本限制了其使用。
发明内容
本发明采用基于事件调度的方法，针对复杂***在运行过程中其状态变量是离散变量的实际情况，通过分析***结构的拓扑性和部件的故障特性，采用事件调度方法构建复杂***的可用度仿真模型，从而对***在目标时间内的可用性进行准确的分析，为实现上述目标，其技术方案如下：
步骤一，定义***和部件的状态变量
假设***由n(n≥2)个部件组成，具有k(k≥2)种状态；
假定初始时刻为t0，***状态向量为X(t0)，第i个部件的状态向量为Xi(t0)，如果第i个部件可用则Xi(t0)＝1，反之Xi(t0)＝0；
φ(X(t0))为***在t0时刻的状态函数，当***正常运行，所有部件完好时***的状态φ(X(t0))＝2；当***正常运行，部分部件不完好时φ(X(t0))＝1；***不能运行时φ(X(t0))＝0；用ps(t0)表示***在t0时刻处于s状态的概率，即ps(t0)＝Pr{φ(X(t0))＝s}，s＝0,1,2；s＝0表示***处于不能运行状态，s＝1表示***处于正常运行，但部分部件不完好的状态，s＝2表示***处于正常运行，所有部件完好的状态；
确定***状态为s的概率ps(t0)和置信区间；
步骤二，分析部件、***结构的拓扑特性和故障行为特性
(1)根据***的运行原理和功能特性，绘制***的可靠性框图；
(2)根据***的可靠性框图结构的拓扑特性，分析部件的独立性和关联性；
(3)根据故障树原理***的最小割集，确定可实现***功能的最短路；
步骤三，设计基于事件调度的仿真流程
该方法以事件调度方法为总体框架，在仿真过程中，考虑两种随机事件，分别为部件故障事件和修理事件，基本步骤如下：
(1)定义模拟变量：仿真时钟、初始化部件状态向量、初始化***状态向量、***的行为参数；
(2)利用已知可用信息，确定部件故障时间分布类型、参数和部件的修理时间；
(3)确定下一个发生的事件：比如部件失效或者部件修理，并且采集与该事件对应的相关信息：事件类型、事件发生的时间、会受到影响的其它部件；
(4)根据上述步骤提供的信息，更新全局时间变量和***状态变量；
(5)如果在仿真时间和下一个时间发生之前没有要观测的事件，则认为***对应的状态函数φ(X(t0))＞0，否则为零；
(6)更新下一个事件的部件状态，如果为部件失效，则产生一个随机的部件修理时间，更新其余部件的故障和维修时间，分解详细的与之有关的故障事件；相反，如果下一个事件为部件修理，则产生一个随机的部件故障时间，更新其余部件的故障和维修时间，并且计算与之相关的修理时间；
(7)根据***的当前状态和结构框图的拓扑特征判断下一个事件是否会影响***的状态即根据判断***是否可用的结果，更新***状态变量和统计变量；
(8)更新仿真时钟；
(9)重复子步骤(3)～(8)直至满足截止条件，使之完成当前步骤的迭代，一次迭代可以使仿真时钟完成所有的目标时间并达到最终时间；
(10)记录当前的迭代变量，***在每个时间区域内的可用情况，***的MTTF和MTTR，目标时间区域内***的失效和修理次数；
(11)重复子步骤(1)～(10)多次，直至达到满意的观测效果。
优选地，步骤一中确定***状态为s的概率ps(t0)和置信区间的具体方法为：
(1)用随机变量Y(t0)＝φ(X(t0))表示***在t0时刻的观测值，假设进行m次观测，其值分别为Y1(t0)，Y2(t0)，…，Ym(t0)，根据大数定理
(2)根据中心极限定理，当m取值足够大时，置信度为1-α的ps(t0)(s＝0,1,2)，可表示为其中zα是在标准正态分布中置信水平为1-α/2的百分数，qs(t0)＝1-ps(t0)；
本发明能够实现多部件、多状态复杂***的可用性计算，其计算过程逼近于***的真实过程，反映出***内各部件之间的关联和影响影响因素和概率特性，主要能够实现以下功能：a)不同目标区间内***可用性；b)确定关键部件以及其对于提高***可靠性的影响程度；c)统计***平均故障时间、***平均维修时间、失效次数、修理次数和***利用率。
附图说明
图1为本发明技术方案示意图；
图2为***在生命周期内的状态变化图；
图3为机载通信网络的***结构图；
图4为基于事件调度的仿真流程图。
具体实施方式
以机载通信网络的可用性分析过程说明本方法的实施过程。
步骤(1)：构建发明研究技术方案，如图1所示；
步骤(2)：分析***的状态变化过程，如图2所示；
步骤(3)：分析***的结构和故障行为特性；
机载通信由一个传输机、一个接收机和6个调制解调机组成，其组成结构如图3所示。
***中，传输机由SPC1-TRC1-TRC2三部分组成，接收机由SPS1-RCR1-RCR2三部分组成，每个调制解调机由SPS1和RLYC1组成；
步骤(4)：统计***的故障信息和修理信息，其相关信息如表1所示：
表1部件故障信息和修理信息
步骤(5)：根据***结构，确定***的最小路，如表2所示：
表2***的最小路
路径编号 包含的部件 包含的子部件
1 Tr-Re1-Re3-Re5-Rc 1-2-3-4-5-8-9-12-13-16-17-18
2 Tr-Re1-Re3-Re4-Re6-Rc 1-2-3-4-5-8-9-10-11-14-15-16-17-18
3 Tr-Re2-Re3-Re5-Rc 1-2-3-6-7-8-9-12-13-16-17-18
4 Tr-Re2-Re4-Re5-Rc 1-2-3-6-7-8-10-11-12-13-16-17-18
5 Tr-Re1-Re3-Re6-Rc 1-2-3-6-7-8-10-11-14-15-16-17-18
步骤(6)：设计仿真基本流程，如图4所示，设定算法迭代步骤次数；
步骤(7)：根据以上步骤，对***可用度进行评估；
在配置为4.0GRAM，interi3，3.10hz安装windowns7.0的计算机上，采用本发明设计算法，模拟***运行1000h，***不同可用度的置信区间间范围如表3所示：
表3***可用性评估
由结果分析可知，1)***的平均故障时间MTTF为8764h以99％的置信度在(8759,8769)区间内；2)关键部件识别，子部件1,2和16是三个最重要的部件，其在迭代过程引起***故障的概率分别为15.54％、15.51％和15.54％，前两个部件位于传输机中，第三个部件位于接收机中，可见提高其可靠性对提高***可靠性有重要意义。

Claims (2)

1.一种基于事件调度的复杂***可用性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，定义***和部件的状态变量：
假设***由n(n≥2)个部件组成，具有k(k≥2)种状态；
假定初始时刻为t0，部件状态向量为X(t0)，第i个部件的状态向量为Xi(t0)，如果第i个部件可用，则Xi(t0)＝1，反之Xi(t0)＝0；
φ(X(t0))为***在t0时刻的状态函数，当***正常运行，所有部件完好时***的状态φ(X(t0))＝2；当***正常运行，部分部件不完好时φ(X(t0))＝1；***不能运行时φ(X(t0))＝0；对于确定的目标时间t0＞0，用ps(t0)表示***在t0时刻处于s状态的概率，即ps(t0)＝Pr{φ(X(t0))＝s}，s＝0,1,2；
确定***状态为s的概率ps(t0)和置信区间；
步骤二，分析部件、***结构的拓扑特性和故障行为特性：
(1)根据***的运行原理和功能特性，绘制***的可靠性框图；
(2)根据***可靠性框图结构的拓扑特性，分析部件的独立性和关联性；
(3)根据故障树原理确定***的最小割集，确定可实现***功能的最短路；
步骤三，设计基于事件调度的仿真流程：
(1)定义模拟变量：仿真时钟、初始化部件状态向量、初始化***状态向量、***的行为参数；
(2)利用已知可用信息，确定部件故障时间分布类型、参数和部件的修理时间；
(3)确定下一个发生的事件，部件失效或者部件修理，并且采集与该事件对应的相关信息：事件类型、事件发生的时间、会受到影响的其它部件；
(4)根据上述步骤提供的信息，更新全局时间变量和***可用状态；
(5)如果在仿真时间和下一个时间发生之前没有要观测的事件，则认为***对应的状态函数φ(X(t0))＞0，否则为零；
(6)更新下一个事件的部件状态，如果为部件失效，则产生一个随机的部件修理时间，更新其余部件的故障和维修时间，计算与之有关的故障时间；相反，如果为部件修理，则产生一个随机的部件故障时间，更新其余部件的故障和维修时间，并且计算与之相关的修理时间；
(7)根据***的当前状态和可靠性框图的拓扑特征判断下一个事件是否会影响***的状态，即根据判断***是否可用的结果更新***状态变量和统计变量；
(8)更新仿真时钟；
(9)重复子步骤(3)～(8)直至满足截止条件，使之完成当前步骤的迭代，一次迭代可以使仿真时钟完全所有的目标时间并达到最终时间；
(10)记录当前的迭代变量，***在每个时间区域内的可用情况，***的MTTF和MTTR，在每个目标时间区域内的部件可用性，***的失效和修理次数；
(11)重复子步骤(1)～(10)多次直至达到满意的观测效果。
2.如权利要求1所述的一种基于事件调度的复杂***可用性分析方法，其特征在于，权利要求1步骤一中确定***状态为s的概率ps(t0)和置信区间的具体方法为：
(1)用随机变量Y(t0)＝φ(X(t0))表示***在t0时刻的观测值，假设进行m次观测，其值分别为Y1(t0)，Y2(t0)，…，Ym(t0)，根据大数定理
(2)根据中心极限定理，当m取值足够大时，置信度为1-α的ps(t0)(s＝0,1,2)的置信区间为其中zα是在标准正态分布中置信水平为1-α/2的百分数，qs(t0)＝1-ps(t0)。
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