一种基于有向图和传递关系矩阵的故障传播模型构建方法与流程

本发明涉及故障诊断，具体是一种基于有向图和传递关系矩阵的故障传播模型构建方法。

背景技术：

1、随着系统的复杂度提高，系统表现出来的故障行为复杂多样。为探明系统故障背后的原因，往往需要花费大量的人力、物力和财力。在多数情况下，复杂系统因故障导致的性能降级或宕机工作，往往会对组织或使用方带来不可估量的影响。以电子装备为例，系统故障将影响装备效能发挥，从而导致作战任务的失败。因此在复杂系统设计过程中，不仅需要对产品的功能、性能试验进行设计，还需要开展面向产品故障的设计。进行产品的故障分析是开展通用质量特性(可靠性、测试性、安全性、维修性、保障性、环境适应性)设计分析的基础。基于故障分析才能开展故障检测、风险控制等设计活动。因此，针对复杂系统的故障传播机理研究成为复杂系统研制过程中重要的研究内容，也是当前的研究热点。然而构造有效的模型对故障传播行为进行描述并非易事，故障模式及其影响分析(fmea)是目前使用较为广泛应用的故障关系建模方法，在国防装备、汽车产业、轨道交通等行业中均有应用，该方法在能对故障及其传播关系进行描述，并指导产品完成设计改进和维修保障等。但是，针对复杂系统故障传播路径模型构建、分析及传播路径可视化方面存在如下问题，该方法尚有不足，体现在：

2、1)fmea能建立复杂系统不同层级组成之间的故障传递关系，但是该方法更偏重是一种基于经验的故障关系建模技术，该技术方法的有效性和时效性极度依赖组织中技术人员经验知识和企业的管理流程；

3、2)故障模式与影响分析不只是一种技术，更是一种流程管理，需要组织提供充足的人力、物力保证和强而有力的组织管理控制措施，实施过程中存在因组织管理水平不足，导致该活动开展有效性和时效性不足的问题，因技术人员经验不足导致工作质量不高的问题；

4、3)故障模式与影响分析技术是一种从底至上的故障分析技术，建立复杂系统的层次化组成模型是开展fmea的基础，因此fmea对产品的层次化组成模型具有较强的依赖性，导致当产品层次划分出现改变时，需要大规模重构fmea表，工作量大，有时组织难以接受；

5、4)故障模式与影响分析技术主要通过填表单的形式开展，采用多表单建立组成对象之间的故障逻辑关系，导致组成与故障、故障与故障之间的关系不清晰、信息分散、各类关系展示不直观；

6、5)由于故障模式与影响分析技术通过不同表单中不同单元格体现故障传递关系，逻辑关系管理复杂，逻辑关系维护困难，当系统组成关系、故障逻辑关系发生变化时，需要对整个fmea表进行更新，当不同表单中对故障的描述不一致时，甚至会导致整个fmea崩溃；

7、6)基于表单的分析技术不完善，故障关系计算困难，导致基于fmea数据表的应用效果不明显，对设计迭代等工作贡献度不及预期。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于有向图和传递关系矩阵的故障传播模型构建方法，解决现有技术存在的故障传播模型建模复杂、不直观且难以进行动态仿真等问题。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

3、一种基于有向图和传递关系矩阵的故障传播模型构建方法，基于有向图对系统组成单元之间的故障传播逻辑关系进行描述，以及，基于传递关系矩阵对故障传播路径进行建模表达，并建立系统的故障传播模型。

4、作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：

5、a1，抽象化：将系统抽象为有向图，提取有向图的顶点集合、边集合；其中，顶点是系统组成单元故障及其影响的图形化抽象表达，顶点包括单元故障集、故障传递关系矩阵和输出影响集，边是组成单元之间故障传递关系的图形化抽象表达；

6、a2，顶点定义：定义故障传播模型的顶点元素；

7、a3，边定义：定义故障传播模型的边元素；

8、a4，模型建立：基于系统逻辑架构和组成单元之间的互联关系，连接故障传播模型的顶点元素和边元素，建立系统的故障传播模型。

9、作为一种优选的技术方案，步骤a2包括以下步骤：

10、a21，获取组成单元的单元故障集fa、输出影响集ef；

11、a22，获取故障传递关系矩阵mp：在获取得到故障集fa、输出影响集ef的基础上，分析或提取得到被分析组成对象的故障传递关系矩阵mp；

12、a23，定义故障传播模型的顶点元素v：顶点元素v为v:{fa,mp,ef}；

13、a24，重复执行步骤a21至步骤a23，直至遍历完系统所有组成单元。

14、作为一种优选的技术方案，步骤a21中，获取组成单元的单元故障集fa包括以下步骤：

15、a211，自身故障集获取：结合系统各组成单元的状态信息，定义或提取组成单元自身故障集fi；

16、a212，诱发故障集获取：根据系统各组成单元的输入接口关系，结合各输入接口的输入流、控制流信息，定义或提取组成单元的诱发故障集efi；

17、a213，在步骤a211、a212的基础上，获取单元故障集fa＝{fi、efi}。

18、作为一种优选的技术方案，步骤a212中，组成单元的诱发故障集efi中的元素来自于与该组成单元互连的其余组成单元的输出影响集合ef，efi中元素与故障传播模型中传播边e一一映射。

19、作为一种优选的技术方案，步骤a22中，故障传递关系矩阵mp用m×n维的布尔矩阵进行表达，mp矩阵中元素为0和1的布尔值，m为故障集fa的元素数量；n为输出影响集ef的元素数量，mp矩阵中元素mij＝1代表故障集fa中第i个故障fi将导致输出影响集ef中第j个影响ej出现。

20、作为一种优选的技术方案，步骤a22中，分析故障集合中每一故障对应的输出影响，若故障有对应影响，则故障传递关系矩阵中对应元素为设置为布尔1；若故障无对应影响，则故障传递关系矩阵中对应元素设置为布尔0。

21、作为一种优选的技术方案，步骤a3包括以下步骤：

22、a31，任选一对顶点；

23、a32，定义故障传播模型中的边元素e：边元素表示两顶点中任一顶点输出影响集中元素与另一顶点诱发故障集中相关元素之间的映射关系；

24、a33，重复执行步骤a31至a32，直至遍历完系统所有顶点元素对。

25、作为一种优选的技术方案，组成单元之间通过信号流、物质流或无线传输进行交互。

26、本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

27、(1)在本发明建立的故障传播模型基础上，能通过计算仿真方式对故障传播路径进行实时动态仿真；

28、(2)本发明建立的故障传播模型中的顶点元素与产品组成对象之间一一映射，能对模型中顶点元素进行模块化封装，形成共用模块组件，便于在建立其他具有相同组成的故障传播模型中直接复用；

29、(3)本发明通过图形化的方式建立复杂系统的故障传播模型，能对系统组成、接口、故障传递逻辑关系进行直观展现，模型的界面展示更易于设计人员接受；

30、(4)本发明提出故障传播建模技术通过结合有向图良好的图形化展示能力和传递关系矩阵的可计算能力，使建立的故障传播模型具有良好的可视化和动态仿真能力；

31、(5)本发明提出的故障传播建模技术方法是一种建立在系统抽象的基础上的普适方法，与具体建模对象松耦合，通用性好。