基于故障树的飞机复杂系统任务可靠性建模预计方法与流程

1.本申请属于航空系统任务可靠性预计技术领域，更具体地，涉及一种基于故障树的飞机复杂系统任务可靠性建模预计方法，可适用于飞机的飞控系统、燃油系统、供电系统、液压系统、航电系统等复杂系统任务可靠性预计。


背景技术：

2.任务可靠性预计是估计产品在执行任务过程中完成其规定功能的概率。目前，飞机系统级任务可靠性预计常见形式为绘制任务可靠性框图，通过串联、并联、表决和旁联等数学模型进行计算。随着飞机系统复杂性的提高，关键系统具备功能重构设计，余度设计，系统内部的交联关系更加复杂，系统之间接口关系复杂，使得此种传统预计方法已不能保证对于复杂系统可靠性预计的完整性、精确性及与系统设计的一致性的要求。


技术实现要素：

3.本申请的目的包括，例如，提供一种基于故障树的飞机复杂系统任务可靠性建模预计方法，以改善上述问题。
4.本申请的实施例可以这样实现：本申请实施例提供了一种基于故障树的飞机复杂系统任务可靠性建模预计方法，包括以下步骤：s1：按照系统在执行任务剖面中的具体任务，梳理系统顶层功能及各功能对任务阶段的影响，明确系统任务失败判据；s2：通过对系统功能建模和系统故障逻辑建模，建立以顶层任务失败为顶事件，以单元的输入端口功能失效状态和单元自身的失效状态为底事件的故障树模型；s3：由系统内各成品失效率自底向上计算顶事件发生概率，然后基于故障树进行最小割集分析及任务可靠性指标预计。
5.进一步的，所述步骤s2中的系统功能建模流程步骤包括：系统功能建模s21：包括系统故障判据建模、系统顶层功能建模和系统内部构架建模，其中，s211：系统故障判据建模：以系统顶层功能的故障模式为底事件，以任务阶段失败为顶事件，建立故障树，确定任务阶段失败与系统顶层功能故障模式之间的逻辑关系，得到系统任务失败判据；s212：系统顶层功能建模：根据系统功能原理，构建系统最终输出功能模型；s213：系统内部构架建模：根据系统功能原理，构建系统内部功能模型；进一步的，所述步骤s2中的系统故障逻辑建模流程步骤包括：s22：故障逻辑建模：以单元的输出端口功能失效状态为顶事件，以单元的收入端口功能失效状态和单元自身的失效状态为底事件，建立故障树，描述它们之间的逻辑关系。
6.进一步的，所述步骤s22中的功能失效状态定义为：
s221：功能失效状态定义：在功能模型中，系统或单元的每个输出端口都代表一个系统或单元的功能，称为功能端口，功能端口的类型中，就定义了这个功能的所有故障模式。
7.进一步的，所述步骤s22中的单元失效状态定义为：s222：单元失效状态定义：在功能模型中，单元的失效状态是指单元自身的功能故障模式，这些故障模式可能会影响到单元输出功能的状态。
8.本申请实施例提供的基于故障树的飞机复杂系统任务可靠性建模预计方法以飞机复杂系统任务失败为顶事件，以单元的输入端口功能失效状态和单元自身的失效状态为底事件构建故障树，建立与系统设计一致的形式化模型，建立故障树，对任务可靠性给出定量和定性分析，弥补了传统预计方法的不足，可保证复杂系统可靠性预计的完整性、精确性及与系统设计的一致性的要求，使得复杂系统任务可靠性预计结果更准确。
附图说明
9.为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
10.图1为本申请实施例一中任务可靠性建模预计方法的流程示意图；图2为本申请实施例一中“地面试车后起飞滑跑”任务阶段失败判据建模示意图；图3为本申请实施例一中航电系统顶层功能模型结构图；图4为本申请实施例一中惯性导航子系统功能模型结构图；图5为本申请实施例一中“导航功能”失效状态定义示意图；图6为本申请实施例一中惯性导航部件的单元失效状态定义示意图；图7为本申请实施例一中某单元故障逻辑建模示意图；图8a为本申请实施例二中航电系统任务可靠性分析结果示意图之一；图8b 为本申请实施例二中航电系统任务可靠性分析结果示意图之一；图9为本申请实施例二中航电系统任务可靠性预计结果示意图。
具体实施方式
11.为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
12.需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。
13.实施例一：以某型机航电系统任务可靠性预计为例，建立以顶层任务失败为顶事件，以单元的输入端口功能失效状态和单元自身的失效状态为底事件的故障树，以altarica为建模语言，实现接口、输入端口、输出端口失效的故障树拼接，建立与系统设计一致的形式化模型，通过saftylab、rellab等常用软件在此基础上实现自动化的故障树生成并且计算系统任务
可靠性指标。具体过程如下所述：如图1所示，基于故障树的飞机复杂系统任务可靠性建模预计方法，包括以下步骤：s1：按照系统在执行任务剖面中的具体任务，梳理系统顶层功能及各功能对任务阶段的影响，明确系统任务失败判据，即：在各任务阶段，哪些功能发生故障会对任务阶段产生影响，进而影响整个任务的完成；s2：通过对系统功能建模和故障逻辑建模，建立以顶层任务失败为顶事件，以单元的输入端口功能失效状态和单元自身的失效状态为底事件的故障树模型；具体的，步骤s2中的系统功能建模s21包括系统故障判据建模、系统顶层功能建模和系统内部架构建模，其中，s211：系统故障判据建模是以系统顶层功能的故障模式为底事件，以任务阶段失败为顶事件，建立故障树，确定任务阶段失败与系统顶层功能故障模式之间的逻辑关系，得到系统任务失败判据。
14.以某型机训练剖面中“地面试车后起飞滑跑”阶段为例，相关功能为飞机航姿感知功能、飞行高度感知功能、侧滑角感知功能、位置导航功能等19个二级功能组成，组合逻辑为任一功能失效，则该任务阶段失败。“地面试车后起飞滑跑”任务阶段失败判据建模如图2所示。
15.s212系统顶层功能建模系统顶层功能建模：根据系统功能原理，构建系统最终输出功能模型；航电系统最终输出的端口包括显示功能、数据采集记录功能、通信功能、攻角指示功能、武器外挂功能、训练功能、照明功能、控制功能、飞行信息感知功能、导航等。其顶层功能模型如图3所示。
16.s213系统内部构架建模根据系统功能原理，构建系统内部功能模型；航电系统由显示控制管理子系统、武器外挂子系统、通信导航子系统、大气数据子系统、惯导子系统等9个子系统组成，根据系统功能原理，构建系统内部功能模型，由于航电系统内部功能模型较大，无法全部展示，仅以惯性导航子系统为例，根据惯性导航子系统所含模块创建内部结构，根据系统功能流图创建功能交联关系。惯性导航子系统功能模型如图4所示，包括显示功能、数据采集记录功能、通信功能等功能模块搭建构成。
17.具体的，步骤s2中的系统故障逻辑建模包括：s22：故障逻辑建模：以单元的输出端口功能失效状态为顶事件，以单元的收入端口功能失效状态和单元自身的失效状态为底事件，建立故障树，描述它们之间的逻辑关系，某单元故障逻辑建模示例如图7所示，其中，s221：功能失效状态定义在功能模型中，系统或单元的每个输出端口都代表一个系统或单元的功能，称为功能端口，功能端口的类型中，就定义了这个功能的所有故障模式。这里以“导航功能”为例，示例功能失效状态定义，如图5所示。
18.s222：单元失效状态定义在功能模型中，单元的失效状态定义是指单元自身的功能故障模式，这些故障模
式可能会影响到单元输出功能的状态。惯性导航部件的单元失效状态定义如图6所示。
19.s3：由系统内各成品失效率自底向上计算顶事件发生概率，然后基于故障树进行最小割集分析及任务可靠性指标预计。
20.具体地，在系统功能建模和所有单元的故障逻辑建模完成后，整个系统的故障建模就完成了，通过saftylab、rellab等软件自动生成以顶层任务失败为顶事件，以单元的输入端口功能失效状态和单元自身的失效状态为底事件的故障树模型，由系统内各成品失效率自底向上计算顶事件发生概率，然后基于故障树进行最小割集分析及任务可靠性指标预计。
21.实施例二以航电系统为例，运用实施例一中方法构建先以系统顶层功能的故障模式为底事件，以任务阶段失败为顶事件的故障树，再以单元的输出端口功能失效状态为底事件，以系统顶层功能的故障模式为顶事件的故障树，最后以单元的收入端口功能失效状态和单元自身的失效状态为底事件，单元的输出端口功能失效状态为顶事件的故障树。通过将此三层故障树拼接，建立与系统设计一致的形式化模型，由系统内各成品组成及各成品失效率，得到航电系统训练剖面任务失败为顶事件的故障树的最小割集及任务可靠性指标，航电系统任务可靠性分析结果和预计结果分别如图8a、图8b、图9所示。
22.综上所述，本发明可以实现自动化的故障树生成并且对任务可靠性给出定量和定性分析，弥补了传统预计方法的不足，可保证复杂系统可靠性预计的完整性、精确性及与系统设计的一致性的要求，使得复杂系统任务可靠性预计结果更准确。
23.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。