一种飞机电传控制系统可靠性分析方法技术方案

一种飞机电传控制系统可靠性分析方法，在动态随机Petri网理论基础上，提供一种基于系统功能原理图的系统可靠性建模及可靠度计算方法。该方法将系统功能原理图转化为拓扑结构高度一致的用于系统可靠性分析的动态随机Petri网，该Petri网可有效避免建模人员主观因素的干扰，能够正确计算系统可靠度，对于提升复杂工程系统可靠性评估水平具有重要价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工程系统可靠性分析领域，具体涉及一种将飞机电传控制系统功能原理图转化为随机Petri网的系统可靠性建模及系统可靠度计算方法。
技术介绍
可靠性是复杂工程系统使用效能的重要技术属性。高水平的可靠性分析技术对于甄别飞机中系统薄弱环节、改进设计缺陷、降低全寿命周期费用、提高功能应用效率等具有重要的工程技术价值与意义。可靠性领域工作的核心为故障，故障的发生不仅会严重影响系统自身功能的发挥，更会造成人员伤亡和财产损失。近年来，随着飞机电传控制系统综合化不断发展，系统设计变得越来越复杂，可靠性问题日益突出，各类事故的发生更加凸显了飞机电传控制系统可靠性分析工作的重要性和必要性。飞机中复杂工程系统的缺陷纠正往往具有“牵一发动全身”的基本特征，隐藏的设计缺陷必将导致应用中的无尽后患，为使得系统可靠性达到规定的设计要求，最根本的途径是在系统研制过程中，在设计阶段就全面开展可靠性建模与分析工作，使得在系统设计阶段就赋予武器装备良好的可靠性。然而，目前在飞机电传控制系统设计阶段，开展可靠性分析评估工作存在以下问题：(1)可靠性分析评估工作的效率问题。目前复杂工程系统的研制过程中，系统设计专业与可靠性专业所用的是两种技术体系，系统设计专业仅关心于系统及其组成元件的功能，不关注系统及其元件的故障。具体而言，在系统设计过程中，设计人员注重于如何将系统元器件有机组合成具有完成特定功能能力的系统，当系统设计结束后，系统设计专业将其专业所得的系统功能原理图交给可靠性专业，再由可靠性专业对系统及其组成元件的故障影响进行分析：可靠性专业依据系统功能原理图建立具有描述系统及其元件故障逻辑关系的系统可靠性模型，然后根据系统可靠性模型对系统可靠性进行分析和评估。然而，当可靠性专业发现可靠性不满足设计要求或设计不合理时，需要由系统设计专业更改设计，当设计专业完成设计更改后，又交给可靠性专业重新进行可靠性建模及可靠性评估，直到可靠性指标满足要求。也就是说，在工程实践中，功能设计工作与可靠性分析工作依次相对独立进行，且系统设计工作主要围绕功能空间进行，可靠性评估工作主要围绕故障空间进行。目前存在的系统可靠性建模方法，其由功能空间转化为等价的故障逻辑描述时，拓扑结构往往改变很大，且需要可靠性建模人员在分析系统功能原理图基础上人为给出系统及组成元器件的故障影响，可靠性评估效率低下。如果存在一种能够直接将系统功能原理图描述的功能空间转化为拓扑结构高度一致的系统故障传播模型的方法，则可有效提高系统设计过程中系统可靠性的评估效率，从而最终缩短系统研制周期。(2)可靠性模型的正确性问题。目前可靠性分析和评估存在多种建模方法，这些建模方法虽然在一定程度上依赖于系统功能原理图，但仍需要具有丰富工程经验的技术人员参与建模。尤其在大型复杂系统建模过程中，建模过程中将存在过多的人为主观因素干预，即使采用同一类模型对同一系统建模，不同建模者建立的模型很可能不一样，且建模者容易受认识水平、分析水平的限制，难于避免认知与人为错误的发生。如果能够将可靠性评估与功能设计有机结合，使得建立的可靠性模型与系统原理功能图尽可能高度一致时，才能最大程度上反映系统的客观事实，避免因过多人为主观因素的介入而导致的失误，保证模型的正确性。(3)可靠性模型的分析计算问题。建立系统可靠性模型的主要目的在于有效的计算系统可靠度。此外针对不同类型的模型，用于计算模型表示的系统的可靠度的方法也不相同。例如，利用故障贝叶斯网络建立的可靠性模型，需要采用贝叶斯网络推理技术进行可靠性计算；利用故障树建立的可靠性模型，一般采用布尔理论计算系统可靠度。因此，当任何一种系统可靠性建模方法被提出的时候，需给出相应的可靠度计算方法，否则提出的建模方法将失去存在的意义。综上，为解决上述三个问题，提高飞机电传控制系统可靠性分析及系统功能设计两个专业的工作协同程度、缩短系统设计及研制周期，需寻求一种能够直接将系统功能原理图转化为与其拓扑结构高度一致的系统可靠性模型并可有效计算系统可靠度的方法。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的可靠性评估效率低、模型的正确性低和适用性较差的不足，本专利技术提出了一种飞机电传控制系统可靠性分析方法。本专利技术的具体过程是：步骤1，统计元件个数Num：所述统计元件Num个数是统计飞机电传控制系统功能原理图中元件个数Num，并为各元件建立一个表示状态正常的库所和一个表示状态故障的库所。具体而言，即对各元件依次执行以下操作：对于飞机电传控制系统功能原理图中第i个元件，为该元件建立表示其状态正常的库所，并为该库所编号Pi.up。Pi.up中，P表示库所，i表示元件序号，i满足条件1≤i≤Num，up表示正常。对于飞机电传控制系统功能原理图中第i个元件，为该元件建立表示其状态故障的库所，并为库所编号Pi.down。Pi.down中，P表示库所，i表示元件序号，i满足条件1≤i≤Num，down表示故障。步骤2，建立各状态正常库所与所对应的各状态故障库所的联系。将步骤1中表示各元件状态正常的库所指向表示各元件状态故障的库所。包括：对于取值范围为1≤i≤Num的元件i，，建立一个唯一的延时变迁ti，并为该延时变迁关联参数，关联的参数为元件i的故障率λi。所述元件i是指系统功能原理图中第i个元件，ti为建立的延时变迁的编号，λi为元件i的故障率。绘制连线：绘制元件i正常状态库所与关联参数的延时变迁之间的连线，以及该关联参数的延时变迁与元件i故障库所状态之间的连线。步骤3，建立表示系统故障状态的库所。将系统视作一个元件，建立表示其故障状态的库所PNum+1.down。在PNum+1.down中，P表示库所，down表示故障状态，Num+1指的是目前所建立的表示故障状态的库所的编号。至此，用于可靠性分析的库所构建完毕，其中，建立的表示故障状态的库所有Num+1个，建立的表示正常状态的库所有Num个。步骤4，连接所述各元件故障状态的库所。根据各元件的连接形式，连接所述各元件中编号为Pi.down的各库所，其中i的取值范围为1≤i≤Num+1，以建立基于随机Petri网理论构建的与系统功能原理图结构一致的可靠性模型。连接所述各元件故障状态的库所时：以符号In_N表示第i个元件的上游输入元件总数，在静态逻辑表述方式中，第i个元件与该元件上游In_N个输入元件中的n个输入元件的功能逻辑关系存在与、或和表决三种基本形式，其中n≤In_N。以符号j1、j2…jn表示第i个元件的n个上游输入元件在系统中的编号，j1、j2…jn满足条件1≤j1、j2…jn≤Num+1。表示第i个元件故障的库所Pi.down和表示该元件上游n个元件故障的库所通过瞬时变迁的连接方法依据与、或和表决三种形式分为三种情况。步骤5，应用蒙特卡洛仿真方法求解系统可靠度。所述的求解过程如下：设定仿真次数Sim_N，Sim_N设定为大于0的任何值。建立记录仿真历程的变量Sim_n，并初始化Sim_n＝1。所述Sim_n为正在执行的仿真次数，当Sim_n>Sim_N时，结束对所建立系统可靠性模型的仿真。建立记录仿真过程中系统失效时间的数组SYS。所述数组SYS中的元素个数与设定的仿真次数Sim_N相等，依次记录第1、2…Sim_N次仿真过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞机电传控制系统可靠性分析方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，统计元件个数Num：所述统计元件个数Num是统计飞机电传控制系统功能原理图中元件个数Num，并为各元件建立一个表示状态正常的库所和一个表示状态故障的库所；具体而言，即对各元件依次执行以下操作：对于飞机电传控制系统功能原理图中第i个元件，为该元件建立表示其状态正常的库所，并为该库所编号Pi.up；Pi.up中，P表示库所，i表示元件序号，i满足条件1≤i≤Num，up表示正常；对于飞机电传控制系统功能原理图中第i个元件，为该元件建立表示其状态故障的库所，并为库所编号Pi.down；Pi.down中，P表示库所，i表示元件序号，i满足条件1≤i≤Num，down表示故障；步骤2，建立各状态正常库所与所对应的各状态故障库所的联系：将步骤1中表示各元件状态正常的库所指向表示各元件状态故障的库所；包括：对于取值范围为1≤i≤Num的元件i，，建立一个唯一的延时变迁ti，并为该延时变迁关联参数，关联的参数为元件i的故障率λi；所述元件i是指系统功能原理图中第i个元件，ti为建立的延时变迁的编号，λi为元件i的故障率；绘制连线：绘制元件i正常状态库所与关联参数的延时变迁之间的连线，以及该关联参数的延时变迁与元件i故障库所状态之间的连线；步骤3，建立表示系统故障状态的库所：将系统视作一个元件，建立表示其故障状态的库所PNum+1.down；在PNum+1.down中，P表示库所，down表示故障状态，Num+1指的是目前所建立的表示故障状态的库所的编号；至此，用于可靠性分析的库所构建完毕，其中，建立的表示故障状态的库所有Num+1个，建立的表示正常状态的库所有Num个；步骤4，连接所述各元件故障状态的库所；根据各元件的连接形式，连接所述各元件中编号为Pi.down的各库所，其中i的取值范围为1≤i≤Num+1，以建立基于随机Petri网理论构建的与系统功能原理图结构一致的可靠性模型；连接所述各元件故障状态的库所时：以符号In_N表示第i个元件的上游输入元件总数，在静态逻辑表述方式中，第i个元件与该元件上游In_N个输入元件中的n个输入元件的功能逻辑关系存在与、或和表决三种基本形式，其中n≤In_N；以符号j1、j2…jn表示第i个元件的n个上游输入元件在系统中的编号，j1、j2…jn满足条件1≤j1、j2…jn≤Num+1；表示第i个元件故障的库所Pi.down和表示该元件上游n个元件故障的库所通过瞬时变迁的连接方法依据与、或和表决三种形式分为三种情况；步骤5，应用蒙特卡洛仿真方法求解系统可靠度：所述的求解过程如下：设定仿真次数Sim_N，Sim_N设定为大于0的任何值；建立记录仿真历程的变量Sim_n，并初始化Sim_n＝1；所述Sim_n为正在执行的仿真次数，当Sim_n>Sim_N时，结束对所建立系统可靠性模型的仿真；建立记录仿真过程中系统失效时间的数组SYS；所述数组SYS中的元素个数与设定的仿真次数Sim_N相等，依次记录第1、2…Sim_N次仿真过程中系统发生失效的时间；初始化系统状态；所述的系统初始状态指的是在系统初始时刻，系统中Num个元件均处于正常状态；在本专利技术所建立的系统可靠性模型中，初始化系统状态的实施方法：建立表示系统时间的变量Tsys＝0，并在编号为Pi.up的各库所中依次放置一个托肯，i取值范围为1≤i≤Num；通过反抽样法依次获得系统中所有可点火的延时变迁的延迟时间；所述延时变迁是否可点火的判断方法参见步骤1，所述通过反抽样法获得第i个延时变迁ti的延迟时间Xi的计算方法如下：i)产生服从[0,1]均匀分布的随机数U～U(0,1)；ii)令Xi＝‑InU/λi，λi为延时变迁ti的参数；通过对延时变迁进行点火操作推动在第Sim_n次仿真过程中系统的运行，步骤如下：首先，对得到的延迟时间Xi排序，取最小时间对应的延时变迁，用符号Tmin和t’分别表示最小时间及其对应的延时变迁；其次，对延时变迁t’进行点火操作：更新系统时间Tsys＝Tsys+Tmin，将变迁t’前置集中的托肯移入变迁t’的后置集中；通过对瞬时变迁进行点火操作推动在第Sim_n次仿真过程中系统的运行，步骤如下：首先，确定系统中可点火的瞬时变迁，所述瞬时变迁是否可点火的判断方法参见步骤1；其次，对可点火的瞬时变迁进行点火操作：可点火的瞬时变迁的前置库所中托肯不变，在可点火的瞬时变迁后置集的各元素中放置一个托肯；循环执行通过对瞬时变迁进行点火操作推动第Sim_n次仿真过程中系统的运行，直至满足下述两个条件中任意一个，方可结束该运行：条件1：所建立的系统可靠性模型中不存在可点火的瞬时变迁；条件2：库所PNum+1.down存在托肯；根据库所PNum+1.down的状态，判断第Sim_...

【技术特征摘要】
1.一种飞机电传控制系统可靠性分析方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，统计元件个数Num：所述统计元件个数Num是统计飞机电传控制系统功能原理图中元件个数Num，并为各元件建立一个表示状态正常的库所和一个表示状态故障的库所；具体而言，即对各元件依次执行以下操作：对于飞机电传控制系统功能原理图中第i个元件，为该元件建立表示其状态正常的库所，并为该库所编号Pi.up；Pi.up中，P表示库所，i表示元件序号，i满足条件1≤i≤Num，up表示正常；对于飞机电传控制系统功能原理图中第i个元件，为该元件建立表示其状态故障的库所，并为库所编号Pi.down；Pi.down中，P表示库所，i表示元件序号，i满足条件1≤i≤Num，down表示故障；步骤2，建立各状态正常库所与所对应的各状态故障库所的联系：将步骤1中表示各元件状态正常的库所指向表示各元件状态故障的库所；包括：对于取值范围为1≤i≤Num的元件i，，建立一个唯一的延时变迁ti，并为该延时变迁关联参数，关联的参数为元件i的故障率λi；所述元件i是指系统功能原理图中第i个元件，ti为建立的延时变迁的编号，λi为元件i的故障率；绘制连线：绘制元件i正常状态库所与关联参数的延时变迁之间的连线，以及该关联参数的延时变迁与元件i故障库所状态之间的连线；步骤3，建立表示系统故障状态的库所：将系统视作一个元件，建立表示其故障状态的库所PNum+1.down；在PNum+1.down中，P表示库所，down表示故障状态，Num+1指的是目前所建立的表示故障状态的库所的编号；至此，用于可靠性分析的库所构建完毕，其中，建立的表示故障状态的库所有Num+1个，建立的表示正常状态的库所有Num个；步骤4，连接所述各元件故障状态的库所；根据各元件的连接形式，连接所述各元件中编号为Pi.down的各库所，其中i的取值范围为1≤i≤Num+1，以建立基于随机Petri网理论构建的与系统功能原理图结构一致的可靠性模型；连接所述各元件故障状态的库所时：以符号In_N表示第i个元件的上游输入元件总数，在静态逻辑表述方式中，第i个元件与该元件上游In_N个输入元件中的n个输入元件的功能逻辑关系存在与、或和表决三种基本形式，其中n≤In_N；以符号j1、j2…jn表示第i个元件的n个上游输入元件在系统中的编号，j1、j2…jn满足条件1≤j1、j2…jn≤Num+1；表示第i个元件故障的库所Pi.down和表示该元件上游n个元件故障的库所通过瞬时变迁的连接方法依据与、或和表决三种形式分为三种情况；步骤5，应用蒙特卡洛仿真方法求解系统可靠度：所述的求解过程如下：设定仿真次数Sim_N，Sim_N设定为大于0的任何值；建立记录仿真历程的变量Sim_n，并初始化Sim_n＝1；所述Sim_n为正在执行的仿真次数，当Sim_n>Sim_N时，结束对所建立系统可靠性模型的仿真；建立记录仿真过程中系统失效时间的数组SYS；所述数组SYS中的元素个数与设定的仿真次数Sim_N相等，依次记录第1、2…Sim_N次仿真过程中系统发生失效的时间；初始化系统状态；所述的系统初始状态指的是在系统初始时刻，系统中Num个元件均处于正常状态；在本发明所建立的系统可靠性模型中，初始化系统状态的实施方法：建立表示系统时间的变量Tsys＝0，并在编号为Pi.up的各库所中依次放置一个托肯，i取值范围为1≤i≤Num；通过反抽样法依次获得系统中所有可点火的延时变迁的延迟时间；所述延时变迁是否可点火的判断方法参见步骤1，所述通过反抽样法获得第i个延时变迁ti的延迟时间Xi的计算方法如下：i)产生服从[0,1]均匀分布的随机数U～U(0,1)；ii)令Xi＝-InU/λi，λi为延时变迁ti的参数；通过对延时变迁进行点火操作推动在第Sim_n次仿真过程中系统的运行，步骤如下：首先，对得到的延迟时间Xi排序，取最小时间对应的延时变迁，用符号Tmin和t’分别表示最小时间及其对应的延时变迁；其次，对延时变迁t’进行点火操作：更新系统时间Tsys＝Tsys+Tmin，将变迁t’前置集中的托肯移入变迁t’的后置集中；通过对瞬时变迁进行点火操作推动在第Sim_n次仿真过程中系统的运行，步骤如下：首先，确定系统中可点火的瞬时变迁，所述瞬时变迁是否可点火的判断方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑶，孙秦，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61