一种基于着色随机Petri网的复杂机构动态级联可靠性建模方法
【专利摘要】一种基于着色随机Petri网的复杂机构动态级联可靠性建模方法，它有五大步骤：一、根据系统的结构、功能、运行剖面将系统自上而下划分层次；对于系统的上层采用功能层次划分，下层则采用结构层次划分；二、运用FMEA方法，分析系统各层次故障模式及影响，给出相关联故障间的逻辑关系，确定影响功能的故障判据，明晰系统故障的层次性和传播性；三、根据故障和功能逻辑关系建立各层次的CSPN可靠性子模型；四、利用变迁替换，将各层次的CSPN模型有机连接，构建系统整体的可靠性模型；五、确定各层次上的颜色函数、节点函数、弧表达函数、守卫函数，并利用蒙特卡洛仿真对系统可靠性进行分析评价。
【专利说明】一种基于着色随机Petr i网的复杂机构动态级联可靠性建 模方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于着色随机Petri网的复杂机构动态级联可靠性建模方法，特 别是涉及一种基于故障传播和着色随机Petri网的复杂机构系统动态级联可靠性建模方 法，属于复杂机构系统可靠性建模【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 复杂机构系统结构和功能日趋复杂，其系统可靠性问题变得越来越突出。在长期 服役过程中，复杂机构系统的故障可能传播与转化，出现混沌与有序之间的"无规则"演化， 多层次复杂交互作用引起的结构损伤、功能突变或劣化等行为的涌现。复杂机构系统可靠 性问题具有显著的多状态、高动态、多层、时变的特点，是典型的"动态级联可靠性"问题。其 中，动态指系统故障的发生、转移、演化，系统性能的退化是随时间变化的；级联指系统各层 次及同层次各部件之间的复杂交互作用。
[0003] Petri网兼有图形化建模能力和数学计算能力，着眼于系统中可能发生的各种状 态变化以及变化之间的关系，可以描述系统的动态变化过程。目前已有一些Petri网模型 用以处理复杂机构系统的可靠性问题，诸如分层Petri网、着色Petri网、随机Petri网。 但这些Petri网在单独使用时仅能描述复杂机构系统某一方面的问题。例如分层 Petri网 模型可用于处理复杂机构系统"动态级联"中的级联问题，但它无法描述退化、时变及多状 态问题；着色Petri网模型能处理系统多状态问题，但无法描述时变、退化的动态问题；随 机Petri网模型可处理变迁激发时间服从指数分布的动态问题，但对于变迁激发时间服从 非指数分布，以及时变、退化的动态问题无法描述。因此，目前已有的Petri网模型仍无法 完全描述复杂机构系统性能退化和不同层次间故障涌现并存的动态级联问题。
[0004]本发明提出的着色随机Petri 网（Colored StochasticPetri Nets，CSPN)综合了 着色和随机Petri网的优点，并对变迁的时间属性进行扩展，将随机Petri网的指数型变迁 扩展为瞬时变迁、退化性变迁和变迁激发时间服从任意分布的随机性变迁，同时引入等效 变迁，米用逐层分级建模的方法，建立基于故障传播和着色随机Petri网的复杂机构系统 动态级联可靠性模型，综合处理复杂机电系统的性能退化，状态多层次性，不同层次交互作 用引起的故障涌现性问题，从而有效评估复杂机构系统的动态级联可靠性。
【发明内容】
[0005] 鉴于以上所述，本发明的目的在于提供一种基于故障传播和着色随机Petri网的 复杂机构系统动态级联可靠性模型，用于处理具有多状态、高动态、多层、时变、故障涌现等 动态级联特点的复杂机构系统可靠性建模问题。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供一种基于着色随机Petri网的复杂机构动态级联 可靠性建模方法，该方法至少包括以下步骤：
[0007] 步骤一，根据系统的结构、功能、运行剖面将系统自上而下划分层次；对于系统的 上层采用功能层次划分，下层则采用结构层次划分。
[0008] 步骤二，运用FMEA(故障模式影响分析）方法,分析系统各层次故障模式及其故障 影响，给出相关联故障间的逻辑关系，并确定影响功能的故障判据，明晰系统故障的层次性 和传播性。
[0009] 步骤三，根据故障和功能逻辑关系建立各层次的CSPN可靠性子模型；各层次CSPN 可靠性模型的建立遵循自上而下的原则。
[0010]步骤四，利用变迁替换，根据系统功能的拓扑结构和逻辑关系，将各层次的CSPN 模型有机连接，构建系统整体的可靠性模型；
[0011]步骤五，结合实际参数、统计数据和物理机理确定各层次上的颜色函数、节点函 数、弧表达函数、守卫函数等，并利用蒙特卡洛仿真对系统可靠性进行分析评价。
[0012] 其中，在步骤二中，"运用FMEA(故障模式影响分析）方法，分析系统各层次故障模 式及其故障影响，给出相关联故障间的逻辑关系"，其具体实现过程如下：根据步骤1给出 的系统层次图，参照GJBl 391_2〇〇6进行系统FMEA分析。本发明的FMEA分析在国军标的基 础上进行了变形，重点突出了 FMEA分析的层次性以及与建模相关的故障模式和故障影响 分析，增加了失效类型栏。变形后的FMEA表如下表1所示。通过此表FEMA得到同一层次 故障间的相互影响，低层次故障对高层次的影响，以及底层故障的失效类型。
[0013] 表1改进FMEA表
[0014]
【权利要求】
1. 一种基于着色随机Petri网的复杂机构动态级联可靠性建模方法，其特征在于：该 方法具体步骤如下： 步骤一，根据系统的结构、功能、运行剖面将系统自上而下划分层次；对于系统的上层 采用功能层次划分，下层则采用结构层次划分； 步骤二，运用FMEA即故障模式影响分析方法，分析系统各层次故障模式及其故障影 响，给出相关联故障间的逻辑关系，并确定影响功能的故障判据，明晰系统故障的层次性和 传播性； 步骤三，根据故障和功能逻辑关系建立各层次的CSPN可靠性子模型；各层次CSPN可靠 性模型的建立遵循自上而下的原则； 步骤四，利用变迁替换，根据系统功能的拓扑结构和逻辑关系，将各层次的CSPN模型 有机连接，构建系统整体的可靠性模型； 步骤五，结合实际参数、统计数据和物理机理确定各层次上的颜色函数、节点函数、弧 表达函数、守卫函数，并利用蒙特卡洛仿真对系统可靠性进行分析评价。
2. 根据权利要求1所述的一种基于着色随机Petri网的复杂机构动态级联可靠性建模 方法，其特征在于：步骤二中所述的"运用FMEA即故障模式影响分析方法，分析系统各层次 故障模式及其故障影响，给出相关联故障间的逻辑关系"，其具体实现过程如下：根据步骤 一给出的系统层次图，参照GJB1391-2006进行系统FMEA分析；FMEA分析在国军标的基础 上进行了变形，重点突出了 FMEA分析的层次性以及与建模相关的故障模式和故障影响分 析，增加了失效类型栏；变形后的FMEA表如下表1所示，通过此表FEMA得到同一层次故障 间的相互影响，低层次故障对高层次的影响，以及底层故障的失效类型。 表1改进FMEA表
3. 根据权利要求1所述的一种基于着色随机Petri网的复杂机构动态级联可靠性建模 方法，其特征在于：步骤三中所述的"根据故障和功能逻辑关系建立各层次的CSPN可靠性 子模型"，其具体实现过程如下：利用步骤二中分析得到的故障和功能逻辑关系，对每一层 次建立CSPN子网模型，对于多故障模式部件利用现有着色Petri网规则处理，对于失效类 型为任意随机分布及退化型失效则利用改进随机Petri网处理，针对受下一层次影响的故 障，则利用等效变迁替换处理。
4. 根据权利要求1所述的一种基于着色随机Petri网的复杂机构动态级联可靠性建模 方法，其特征在于：步骤四中所述的利用变迁替换采取先分层后组合的方法，构建系统整体 的可靠性模型，其具体实现过程如下：变迁替换、子/父页的定义如下： PN= (P，T，F)，为一个有向网，对于3ΚΓ，用一个三元组ΡΝω = (ρω，Τω，ρω)替换t和 Ft，即Et (t，Ft) = (Ρω，Τω，FJ，使得冗U 构成一个网，则称变迁t为替换变迁，Et为 对网PN的一个变迁替换；若Et发生，则称PN = (P，T，F)为父页，ΡΝω = (Ρω，Τω，FJ为子 页；其中，Ft:Fx = {(X，y) e F} u {(y, X) e F}为 χ 关联弧集，丫 ?τ--χ·为 χ 的外延。
【文档编号】G06F19/00GK104298843SQ201410219038
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】鲁岳, 张建国, 阚琳洁, 王丕东 申请人:北京航空航天大学