（管理科学与工程专业论文）复杂关联系统的可靠性建模与分析.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t s y s t e mr e l i a b i l i t ym o d e l i n ga n da n a l y s i sa r e i m p o r t a n tb a s i sf o r d e s i g na n de v a l u a t i o no ft h es y s t e m i np r a c t i c e ，m a n yi m p o r t a n ts y s t e m s a r ec h a r a c t e r i z e do fc o m p l e xc o o r e l a t i v eb o t hi ns p a c ea n dt i m e i nt h i s p a p e r ，t h ea u t h o rf o c u s e sr e s e a r c h e so nr e l i a b i l i t ym o d e i n g t e c h n o l o g l e s a n dm e t h o d sf o r a n a l y s i so fc o m p l e xc o o r e l a t i v es y s t e m s b a s e do ns u g a r yo ft h ea d v a n c e sa n da n a l y s i so ft h e i m p o r t a n c eo f t h em o d e n go i c o m p l e xc o o r e i a t i v es y s t e m i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ag e n e r a lr e l i a b i l i t yb l o c kd i a g r a mm o d e lo fs y s t e m ( g r b d s ) ，w h i c h c a n b eu s e dt od e s c r i b em u l t i l a y e r s c o m p l e xc o o r e l a t i v es y s t e mw i t hn o d e f a il u r e fd i s j o i n ta l g o r it h mf o rb o o l e a nl o g i cf u n c t i o t i sb a s e d0 nc u b i c o p e r a t l o i i s1 sp r e s e n t e d ，a n da n o t h e r a 】g o r i t h mw h i c hi sb a s e do nb i n a r y d e c i s i o nd i a g r a m ( b d d ) i sa l s od i s c u s s e d 1 h et w oa l g o r it h m s c a r lb o t hb e a p p l i e df o ri m p r o v in gt h ec o m p u t a t i o ne f f i c i e n c yi nt h ea n a l y s i so fg r b d s a sar e s u l to f t a k i n gn o d ef a i l u r ei n t oc o n s id e r a t i o n ，m o s t e x i s t i n g a l g o r i t h m sc a nn o t , b ea p p l i e dd i r e c t l yt ot h ea n a l y s i so fg r b d sm o d e l s w i t hn e t w o r ks t r u c t u r e t os o l v et h i sp r o b l e m ，t w on e wa p p r o a c h e sa r ep u t f o r w a r dj nt h i sp a p e r o n ei sb a s e do nt h e p r i n c i p l e o fn e t w o r kc o m p u t a t i o n a n di sc a l l e dn o d e si n f o r m a t i o ne x c h a n g ea l g o r i t h m ，w h i c hc a nb eu s e dt o f i n do u td i r e c t l yt h em i n i m u mp a t h ss e to fan e t w o r ka n db ec h a r a c t e r i z e d b yp a r a l l e lc o m p u t i n g a n o t h e ri sc a l l e dm a t r i x d e c o m p o s i t i o m a l g o r i t h m ，w h i c hi sb a s e d0 nt h ep r i n c i p l eo fp r o b a b i l i t yd e c o m p o s i t i o n m e t h o d t h em a t r i x d e c o m p o s t i o na l g o r i t h mg e n e r a l i z e st h e c o n c e p t o f a d j a c e n c y m a t r i xa n do v e r c o m e s t h ed i f f i c u l t si n t e a i z a t i o no f p r o b a b i l i t yd e c o m p o s i z a t i o nm e t h o d m o r e o v e r ，t h ek e yt e c h n i q u e sf o rt h e r e a ll z a t l o no fs e c o n da p p r o a c ho nc o m p u t e ra r eg i v e n t oa i dt h em o d e i in g o fg r b d s ，isd i s c u s s e dav i s u m s y s t e mr e l i a h i l i t ym o d e l jn gs o f t w a r e s y s t e m ( r e 2 0 0 0 ) b yw h je hg r b d sm o d e lo fs y s t e mc a nb eb u i l tu pc o n v e n i e n t l v a n dv i s u a l l y t h eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo f r e 2 0 0 0a n d i t sk e yr e a l i z a t i o n t e c h n i q u e sa r ea 】s op r e s e n t e d o n eo ft h em o s td i f f i c u l t p r o b l e m s i nt h ef i e l do f r e l i a b i l i t y r e s e a r c hi st h em o d e l i n go fc o m p l e xc o o r e l a t i v ed y n a m i cs y s t e m i nt h i s p a p e r ，ag e n e r a l i z e do b j e c t o r i e n t e dp e t r in e t ( g o o p n ) m o d e i sp r e s e n t e d f o ri t s a n a l y s js ，a n d i t sf o r m a l d e s c r i p t i o n i sa s o g i y e n 1 h e a p p l i c a t i o no fg o o p nt ot h er e l i a b i l i t ym o d e l i n go ft w of m s ，s e v e r a l c o m m o n l yu s e ds y s t e mw i t ht y p i c a ls t r u c t u r ea n dc o m m u n i e a t i o nn e t w o r k s h o w st h a tg o o p nh a v eg o o dm o d u l a r i t y ，r e u s a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i i i t y ， a n dc a nb e t t e rr e f e c tt h ed y n a m i eb e h a v i o u ro f s y s t e m k e yw o r d s ：r e lia b iii t y d y n a m i c m o d e ii n g ，a i g o t i t h m ，s o f t w a r e f m s 第1 1 页 一- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - - _ - - - _ _ _ _ _ _ h _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ - h - _ _ _ _ _ _ _ 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 复杂关联系统可靠性建模分析研究的意义 1 1 1 典型的复杂关联系统 当今，系统一词已成为各学科领域最常见的词汇，如柔性制造系统 ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y t e m ，简称 、m s ) “。5 1 、军用综合电子信息系统”13 ， 等。系统是由相互制约的各部分组成的：具有一定功能的整体。系统具有多元性、 相关性及整体性的特点。同一系统的不同元素之间按一定的方式相互关联、相互 作用”。现代科学技术的进步与社会的发展，使得我们面对的系统变得越来越 复杂。系统可靠性工程面临的研究对象大多数是复杂关联系统。 本论文定义的复杂关联系统是指复杂系统的一种类型，其关联作用的方式 有多种多样，一般有空间关联与时间关联，其复杂关联特性主要表现为： 系统的组成元素数量多，种类多。 组成元素之间关联作用强，在空问结构和时间上具有关联( 如空间上 的网络结构，时间上的时序关系) 。 系统具有很多层次。 系统的组成、结构、特性及环境都在不断动态变化。 系统担负多任务，且任务执行具有并发性。 典型的复杂关联系统有c 4 i s r ( c o m m a n d ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n s ， c o m p u t e r s ，i n t e l l i g e n c e ，s u r v e i l l a n c e ，r e c o m l a i s s a n c e ) 1 、f m s 。 c 4 i s r 是在高技术局部战争中，将许多先进信息系统集成于一个大系统中， 为诸军兵种联合作战提供信息战能力与优势的系统。战区c 4 i s r 主要由战区指 挥控制系统、后勤保障指挥中心自动化系统、情报侦察系统、预警探测系统、电 子战系统、信息战系统、导航系统、空中管制系统、战区信息融合中心、通信网 络等组成。通信网络由多个网络节点及传输线路组成，网络节点之间通过有线线 路( 如电缆、光缆) 、无线线路( 如短波、微波) 及卫星通信线路等信息传输线 路连接。网络节点是通信网络信息的分配点，如计算机、交换机、集中器、路由 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 复杂关联系统可靠性建模分析研究的意义 1 1 1 典型的复杂关联系统 当今，系统一词已成为各学科领域最常见的词汇，如柔性制造系统 ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y t e m ，简称 、m s ) “。5 1 、军用综合电子信息系统”13 ， 等。系统是由相互制约的各部分组成的：具有一定功能的整体。系统具有多元性、 相关性及整体性的特点。同一系统的不同元素之间按一定的方式相互关联、相互 作用”。现代科学技术的进步与社会的发展，使得我们面对的系统变得越来越 复杂。系统可靠性工程面临的研究对象大多数是复杂关联系统。 本论文定义的复杂关联系统是指复杂系统的一种类型，其关联作用的方式 有多种多样，一般有空间关联与时间关联，其复杂关联特性主要表现为： 系统的组成元素数量多，种类多。 组成元素之间关联作用强，在空问结构和时间上具有关联( 如空间上 的网络结构，时间上的时序关系) 。 系统具有很多层次。 系统的组成、结构、特性及环境都在不断动态变化。 系统担负多任务，且任务执行具有并发性。 典型的复杂关联系统有c 4 i s r ( c o m m a n d ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n s ， c o m p u t e r s ，i n t e l l i g e n c e ，s u r v e i l l a n c e ，r e c o m l a i s s a n c e ) 1 、f m s 。 c 4 i s r 是在高技术局部战争中，将许多先进信息系统集成于一个大系统中， 为诸军兵种联合作战提供信息战能力与优势的系统。战区c 4 i s r 主要由战区指 挥控制系统、后勤保障指挥中心自动化系统、情报侦察系统、预警探测系统、电 子战系统、信息战系统、导航系统、空中管制系统、战区信息融合中心、通信网 络等组成。通信网络由多个网络节点及传输线路组成，网络节点之间通过有线线 路( 如电缆、光缆) 、无线线路( 如短波、微波) 及卫星通信线路等信息传输线 路连接。网络节点是通信网络信息的分配点，如计算机、交换机、集中器、路由 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 器。如海军战术通信网的结构如图1t 【6 1 。 海军战术通信删中，由于涉及海军基地、舰队、海航师、陆战队、观通站等 众多实体，节点多，构成了复杂的关联网络结构，各节点内部又是一个复杂的关 联系统( 如舰内通信系统) 。山于系统作战任务的变化，各节点和数据链的任务 时间不同，节点的数量会随时增减，因此海军战术通信网是一个动态的多层次关 联系统。 图1 1 海军战术通信网结构图 f m s 是由加工系统、物料运送与管理系统、计算机控制系统及辅助工作站 组成的自动化制造系统 1 4 1 ，能根据制造任务或生产品种的变化而迅速进行调整。 f m s 可以完成不同零件、不同生产节拍、不同工序的制造任务，可以实现高度 柔性的自动化加工。f m s 主要用于中、小批量生产的条件下实现高效率和低成 本生产。 从可靠性工程的角度出发，同一般的产品相比，f m s 主要有以下特点旧： f m s 是一一个集光、机、电、软件、人于一体的复杂递阶分布动态大系统。 在f m s 中既有信息流，又有刀具流和工件流等物流。既有连续过程，又有离散 过程。f m s 的控制既有集中又有一定程度的分布和自治。这样的系统通常有十 几台微机工作站、几十台底层设备；电子、电器、液压、气动及机械控制元器件 成千上万，某些关键元件运行中产生故障可导致物料系统甚至整个运控系统失 效、造成严重的损失。 f m s 是一个具有高度柔性的系统。柔性体现了f m s 的本质和灵魂，是 f m s 区别于传统生产方式的关键所在。关于f m s 的柔性有多种定义和刻划方法， 第2 页 国仿科学技术大学研究生院学位论文 如工艺柔。眭( p r o c e s sf l e x i b i l i t y ) 、流程柔。陆( r o u t i n gf l e x i b i l i t y ) 等。我们可以将柔 性广义地理解为f m s 对环境的适应性。环境的变化包括机器故障、工件品种、 批量、混合比等。完善的f m s 具有处理其故障并维持其生产持续进行的能力。 具体体现在同一工件可以通过不同的加工路线进行加工。在系统中能够用于完成 某一工序的设备一般不只配备一台。 f m s 是一个多任务系统。f ；! | jf m s 所担负的加工任务在其寿命周期内是 不断的变化的。这也正是f m s 的优点，因此确定f m s 的任务剖面较为困难。此 外，f m s 在同一时刻，系统中可以有多个不同工件处于不同加工状态。同时， 由于多工件的存在，导致系统中会出现资源的共享、冲突、竞争、等待等现象。 f m s 调度规则对f m s 的生产率也有很大的影响。 f m s 是一个可修复系统。目前，f m s 一般都配置有在线检测与故障诊断 系统。同时f m s 又有一定的维修与保养制度，维修人员、备件的配置也各不相 同。 综合上述，本论文将重点以网络系统和f m s 为代表研究复杂关联系统的可 靠性建模分析问题。 1 1 2 可靠性建模分析研究的意义 系统可靠性分析与设计的一般流程如图1 2 示。依据系统的任务需求，进行 系统的可靠性指标与参数论证，然后依据系统的设计与评价指标建立系统的可靠 性分析模型【1 3 】。利用模型我们可以对系统进行可靠性预计、分配及仿真评估，从 而确定系统的可靠性是否能达到要求的指标。如果达不到则需修改设计，重新进 行建模分析，若通过可靠性设计仍不能满足要求则必须考查系统给定的指标是否 合理可行，因而要对指标进行重新论证或说明此方案的可靠性不能达到要求。 可靠性是系统设计赋予系统的固有特性，因此，要提高系统的可靠性，就必 须将可靠性设计到系统中去【1 2 - 1 5 。系统可靠性模型是进行系统可靠性设计与分析 评价的前提。进行系统可靠性建模与分析的目的是对给定的系统的可靠性进行分 析和评定，确定系统的可靠性薄弱环节，分析系统的可靠性随设计方案和设计参 数的变化，为设计改进提供依据，最终使系统的设计与研制在费用、性能、可靠 性、时问几方面取得满意的权衡结果。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位沦文 c 4 1 s r 系统的重要性决定了其可靠性的重要性【6 】。其中军用通信网络是 c 4 i s r 的基础，在敌方破坏行动、自然灾害和技术故障的条件下，必须具有较高 的可靠性和生存能力。 由于f m s 是具有了高度柔性和复杂性的网络化系统，既包括机械设备，又 含有电二于产品，既有多种硬件，又有多种软件，既有物流，又有信息流，其中还 有人的参与，因此易发生故障。建设f m s 所需一次性投资较大，如果系统的可 靠性不高，将会明显降低系统的生产率，使系统失去实用推广价值。国内外的 f m s 都不同程度地存在多方面的可靠性问题，严重地影响了f m s 的推广应用和投 资效益的正常发挥，甚至使得有些用户认为f m $ 是一种具有商风险的投资方案而 转向寻求其它替代方案。因此，迫切需要对f m s 的可靠性问题展开研究，寻找 解决途径。 图1 2 系统可靠性分析与设计的般流程 一般可采用以下几种途径来提高f m s 的可靠性“： 采用高质量的软件和硬件设备。 采用可靠性设计技术，如降额设计、热设计、抗干扰设计、容错设计“。 加强运行管理、维修、检测和诊断。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 改进f m s 的总体设计方案和参数，包括布局、缓冲站数量、运行讽度规则 等。f m s 可靠性建模的目的是对给定的f m s 的可靠性进行分析和评定，确定f m s 的可靠性薄弱环节，分析f m s 的可靠性随设计方案和设计参数的变化，为设计改 进提供依据，最终使f m s 的设i , t + 与研制在费用、性能、可靠性、时间几方面取得 满意的权衡结果。 从系统可靠性工程的角度来看，可靠性模型可分为基本可靠性模型和任务可 靠性模型【1 4 1 。基本可靠性模型用来估算系统及其组成单元引起的维修和后勤保障 要求，系统中的任何单元( 包括非贮备和贮备单元) 均构成串联模型，任务可靠性 模型是用来估计系统在执行任务过程中完成其规定功能和能力，其模型随任务不 同而不同。进行系统可靠性建模与分析主要有以下作用： 可靠性建模是可靠性预计和分配的基础，所建立的可靠性模型是否正确 合理地反映了系统各子系统设备、组件、元器件之间的可靠性逻辑关系，是决定 可靠性预计和分配结果准确的必要条件。 基本可靠性和任务可靠性模型是权衡人力、物力、费用和可靠性关系的 依据。在设计方案中，为了提高其任务可靠性而大量采用贮备单元，则其基本可 靠性必然降低，从而增加了人力、设备、备件等来维修这些贮备单元。而在另 设计方案中，为减少对维修及后勤保障要求而采用全串联模型( 无贮备单元) ，则 其任务可靠性必然较低，因此在不同的设计方案中需对基本可靠性和任务可靠性 两者进行权衡，确定最佳设计方案。 可靠性模型的建立，可以发现找出系统的薄弱环节，从而制定可靠性改 进措施。 通过可靠性建模分析可以对系统进f i ：- i j - 靠性评价和求得各项可靠性参数， 如故障率 、平均无故障问隔时间m t b f 、可用度a 等。为系统设计改进的综 合权衡提供依据。 复杂关联系统可靠性建模与分析有许多方法，由于在设计阶段需要对不同设 计方案进行分析比较，仅仅依靠手工来完成系统的可靠性建模与分析是十分困难 的，不仅容易出错，工作效率也不高，必须采用计算机辅助工具支持这一工作。 因此开展这方面的研究具有重要的理论与实际意义。 f m s 是一个具有高度柔性的系统，是复杂系统的典型代表，f m s 的柔性包 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 括工艺柔性( p r o c e s sf l e x i b i l i t y ) 、流程柔。l 。t ( r o u t i n gf l e x i b i l i t y ) 等。我们可以将柔 性广义地理解为f m s 对环境的适应性【1 2 】。环境的变化包括机器故障、工件品种、 批量、混合比等。完善的f m s 具有处理其故障并维持其生产持续进行的能力。 同时f m s 是一个多任务系统，即f m s 所担负的加工任务在其寿命周期内是不断的 变化的，因此，确定f m s 的任务剖面较为困难。是在同一时刻f m s 中可以有多个 不同工件处于不同加工状态。由于多工件的存在，导致系统中会出现资源的共享、 冲突、竞争、等待等现象。此外，f m s 调度规则、系统的维修对f m s 的可靠性也 有很大的影响。要全面分析和解决f m s 的可靠性问题具有很大的困难。由于多任 务、多故障、高度柔性及构成的复杂性特点，f m s 的可靠性建模与分析是对现代 可靠性工程提出的新挑战。 1 2 复杂关联系统可靠性分析技术的发展状况 早期可靠性j ：程研究的系统一般都较简单。如简单的串、并联结构的系统。 目前用于复杂关联系统( 见1 1 1 ) 的可靠性建模分析的方法主要归纳如下。 ( i ) 可靠性框图模型“ 可靠性框图是指对于复杂系统的一个或多个功能模式，用方框表示的各组成 部分的故障或它们的组合如何导致系统故障的逻辑图。可靠性框图可以用简明的 方式表示各单元的工作状态对系统工作状态的影响，适用范围广，但对时序的描 述不够直观。可靠性框图最基本的形式有串联、并联、备用、表决等，此外还有 复杂的网络拓朴形式( 一般可由基本形式复合或组合而成) ，可靠性框图模型是 目前在工程实践中应用最为广泛的模型。 利用传统的可靠性框图模型对通信网络系统进行可靠性建模分析，当考虑节 点失效时，因为一般需将节点进行分解为若干相同予节点，因此应用较为困难。 采用可靠性框图模型进行f m s 可靠性建模分析“一般是依据f m s 工件的加工 任务剖面，分别按使用的设备建立各自的任务可靠性框图模型，再综合各任务框 图模型形成f m s 的多任务可靠性框图模型。例如若工件的加工在加工中心a ，b 上均可完成，则a ，b 作为并联考虑。这种建模方法是一种较简单的方法。但忽 略了f m s 的时间动态特性。其本质是假定工件在系统中逗留的时间相对于系统的 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 括工艺柔性( p r o c e s sf l e x i b i l i t y ) 、流程柔。l 。t ( r o u t i n gf l e x i b i l i t y ) 等。我们可以将柔 性广义地理解为f m s 对环境的适应性【1 2 】。环境的变化包括机器故障、工件品种、 批量、混合比等。完善的f m s 具有处理其故障并维持其生产持续进行的能力。 同时f m s 是一个多任务系统，即f m s 所担负的加工任务在其寿命周期内是不断的 变化的，因此，确定f m s 的任务剖面较为困难。是在同一时刻f m s 中可以有多个 不同工件处于不同加工状态。由于多工件的存在，导致系统中会出现资源的共享、 冲突、竞争、等待等现象。此外，f m s 调度规则、系统的维修对f m s 的可靠性也 有很大的影响。要全面分析和解决f m s 的可靠性问题具有很大的困难。由于多任 务、多故障、高度柔性及构成的复杂性特点，f m s 的可靠性建模与分析是对现代 可靠性工程提出的新挑战。 1 2 复杂关联系统可靠性分析技术的发展状况 早期可靠性j ：程研究的系统一般都较简单。如简单的串、并联结构的系统。 目前用于复杂关联系统( 见1 1 1 ) 的可靠性建模分析的方法主要归纳如下。 ( i ) 可靠性框图模型“ 可靠性框图是指对于复杂系统的一个或多个功能模式，用方框表示的各组成 部分的故障或它们的组合如何导致系统故障的逻辑图。可靠性框图可以用简明的 方式表示各单元的工作状态对系统工作状态的影响，适用范围广，但对时序的描 述不够直观。可靠性框图最基本的形式有串联、并联、备用、表决等，此外还有 复杂的网络拓朴形式( 一般可由基本形式复合或组合而成) ，可靠性框图模型是 目前在工程实践中应用最为广泛的模型。 利用传统的可靠性框图模型对通信网络系统进行可靠性建模分析，当考虑节 点失效时，因为一般需将节点进行分解为若干相同予节点，因此应用较为困难。 采用可靠性框图模型进行f m s 可靠性建模分析“一般是依据f m s 工件的加工 任务剖面，分别按使用的设备建立各自的任务可靠性框图模型，再综合各任务框 图模型形成f m s 的多任务可靠性框图模型。例如若工件的加工在加工中心a ，b 上均可完成，则a ，b 作为并联考虑。这种建模方法是一种较简单的方法。但忽 略了f m s 的时间动态特性。其本质是假定工件在系统中逗留的时间相对于系统的 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 故障时间很短，而且没有考虑f m s 资源有限出现的竞争问题，如前所述，尽管a ， b 均可完成工件的加工，但若a ，b 上同时都有工件进行长时间加工，则仍无法 体现其并联功能。因此可靠性框图建模方法只能用于方案论证初期估算f m s 的可 靠性指标。 f m s 的关键是提高生产率，任何形式的故障都会导致f m s 生产率的下降，因 此f m s 的可靠性指标应反映系统故障对生产率的影响，传统的可靠性指标如可用 度、m t b f 一般难以反映f m s 生产率随时间的变化“。其次f m s 的特点在于柔性， 这也是f m s 可靠性问题的特殊性。即f m s 的结构是一种动态变化的结构，一般的 可靠性框图法难以用于f m s 的任务可靠性分析。 在基于系统可靠性框图的系统可靠性计算机辅助建模与分析方面，九十年代 国外有代表性的是英国i t e m 公司研制开发的r e l d r a w 9 7 版英文w i n d o w s 软件。 该软件具有可视化的人机交互界面，可对系统的单元直接进行操作，但不能对单 元的连线进行图形操作，对网络结构系统的建模灵活性较差：软件仅提供了指数 分布的单任务时段建模，主要适用于电子元器件级的可靠性建模分析。国内相关 的软件有由信息产业部广州五所研制的e e r p 0 6 9 2 版及航天5 0 2 所及航天可靠性 与安全性研究中心联合研究( 9 6 版) ，这两个系统都是基于中文d o s 系统的软件， 采用菜单操作，后者还可在界面上以树型方式显示系统的层次结构，但这两个系 统对具有网络结构系统的建模都不方便。 网络系统的可靠性有多种含义u s | ，其中端端可靠度反映了网络系统的连通 性，是描述网络系统可靠性的最基本的指标。如在f m s 的可靠性分析中，端端 可靠度可表示一个工件完成加工任务的概率【l “。在通信网络的可靠度分析中， 端端可靠度是指给定的两个节点经条链路能正常连通的概率。在网络系统可靠 性的分析理论方面，国内外已提出了许多算法，如真值表法、全概率分解法、最 小路法等 1 2 - 1 5 1 u 9 - 2 1 。应用较多的是基于最小路集的算法，该算法般是先求出网 络系统的最小路集，然后再用容斥原理或不交化方法计算系统的可靠度。但对大 型网络系统，由于最小路数量很多，路的长度长，不交化计算量仍很大，使得网 络可靠度的计算较为困难。“，较好的途径是直接求解不交化最小路。s h a h m a d 提出了一种直接生成网络系统不交化最小路集的算法”，该算法通过逐步构造树 枝，沿树枝直接求得网络系统的刁：交化最小路集，具有较高的计算效率。修正的 第7 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 d o t s o n 算法也是一种有效的方法“。对于考虑节点也会失效的可靠度计算问题， 目前一般的处理方法是先将问题化简为无节点失效的等价问题，求出最小路集的 表达式后再通过扩展归并等布尔运算还原为原问题的解。这种方法的计算量会 随着网络中边的数量迅速增大。最近，w r e 和s w a n g 提出了一种分解算法”， 该法是一种递归算法，但算法的实现仍需较多的内存空涮。 ( 2 ) 故障树分析( f t a ) 模型”2 。“1 f t a 模型将系统的故障做为顶事件，再按分系统、设备等故障从果到因逐层 展开进行建模分析。f t a 建模的特点是故障模式较为清晰，便于分析可靠性薄弱 环节，使用也较为灵活，f t a 的模型描述能力与可靠性框图模型的描述能力相当。 目前的f t a 模型基本上是静态故障树分析模型，没有考虑故障发生的时序关系。 当考虑动态时序关系时，f t a 分析建模将十分困难。近年来，国外已经提出了动 态故障树模型的概念，将动态予树部分采用m a r k o v 过程分析求解，但将其实际 应用于系统可靠性建模分析还需做进一步的探索与验证。 ( 3 ) f m s 可靠性的过程生成图模型”3 过程生成图模型( p s g ) 将f m s 用一个图g ( v ，e ) 表示，其中v 是表示 加工中心的节点集，e 是表示物料传输系统( m hs ) 运行路径和局域网的边集。 一个p s g 表示一个工件在f m s 中的一条特定的路径。定义一种工件加： 完成的可 靠性为至少有一个桐应的p s g 正常的概率。f m s 的可靠性为所有工件加工完成的 概率。这种方法的特点与多任务可靠性框图模型基本相同，只考虑了加工路线的 柔性，对资源竞争、时序动态特性等方面则无法考虑。p s g 可用于f m s 方案论证 初期的可靠性建模分析，其应用困难主要是p s g 图的运算较为繁杂，计算机实现 有一定困难。 ( 4 ) f m s 的多维拓扑关联模型” 这种模型将f m s 视为多水平和多维的拓扑关联系统。每一维表示一个基本的 物理过程。如工件由一台机器传到另一台机器的过程，信息的处理与控制过程。 电能的消耗与转换过程。分别计算每一维的可靠性，定义f m s 的可靠性为可靠性 最低的那一维的可靠性。此外还可以分析f m s 的薄弱环节。这种模型对f m s 的故 障考虑较细致，但需要对f m s 的实际设备结构、工作原理及关联性有较清晰的了 解，并且无法体现f m s 中的动态关系。当f m s 的组成较复杂时，模型的关联表示 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 将十分困难。 ( 5 ) 基于随机过程理论的可靠性模型o ”一。” 可修系统的随机过程模型可以直观地描述系统状态的动态转移过程，但要求 系统的状态满足较好的概率性质，一般仅对指数分斫i 较为适用。 当采用m a r k o v 模型进行建模时，需要列出系统的各种状态，给出系统的全 部状态空间。对网络系统，当节点较多时，状态空间的大小将成指数级增长。即 便可以列出，列出方程求解也十分困难， 对f m s 采用这种模型进行分析，一般仅限于小型系统单元。还有一类模型是 基于概率流平衡原理与排队网络的模型，这类模型将f m s 视为加工中心与缓冲库 交替相连的系统。使f m s 抽象为一个多级随机服务网络系统，可用排队论理论及 f i a r k o v 过程理论建立数学模型求解系统状态的概率。模型可以考虑故障引起的 阻塞等现象，但是这种模型的规模和复杂性随f m s 拓扑关联的增加而迅速增加， 当f m s 的拓扑为非流水线型及故障的发生为非指数分柿时，这种模型的建模与求 解将十分困难。 ( 6 ) 基于高级仿真语言的可靠性模型 m o n t e ，c a r l o 模型是最为灵活的一种模型，可以采用计算机编程语言针对具 体问题进行分析，目前已出版了不少有关专著和文献 3 4 - 3 7 】。但这种方法编程复杂 性和工作量都较大。 计算机仿真建模是一种较为灵活的可靠性建模分析方法。基于高级仿真语言 ( 如g p s s ，s l a m ) 的建模分析方法是目前较为常用的方法 3 8 - 4 2 l ，目前已有的模 型大都是基于各种专用仿真语言建立的，建模时一般首先给出系统的仿真网络 ( 如s l a m 网络) 描述，再转换为仿真程序语言进行仿真运行分析。这种方法可 以充分地对f m s 的特性进行描述，考虑较多的影响因素。但是目前的各种专用仿 真语言一般都要求分析人员具有较丰富的编程经验，难以方便地进行人机交互， 而且模型的直观性较差，仿真网络对于非专业人员来说也较难理解，从而造成模 型的正确性难以确认和验证“。目前的仿真模型高度依赖于f m s 的设备数量、拓 朴结构和工件的加工工艺路径等因素，一旦这些因素发生变化，模型也必须进行 较大的改动，难以高效地进行不同设计方案的比较。近年来仿真的发展方向是走 向一体化的多媒体集成环境，但用于系统可靠性分析方面还需提供新的功能。 第9 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 ( 7 ) p e t r i 网模型 p e t r i 网足种离散事件动态系统建模分析工具，可以清晰自然地描述系统 中的同步、资源共享、冲突等现象，已被广泛用于各种系统建模分析中。为了加 强p e t r i 网的建模能力，缓解其对复杂系统建模时容易j 现的状态组合爆炸问 题，又提出了有色p e t r i 网、随机p e t r i 网等高级p e t r i 网模型”3 “。 已经用于系统可靠性分析中的有随机p e t r i 网模型与有色广义随机p e t r i 网 模型“”“”1 。p e t r i 网模型的建模方法是将故障的发生与修复用转移的激发与 t o k e n 的转移来描述。从理论上讲，随机( 有色) p e t r i 网模型在转移的激发时 延为指数分布的条件下可等价于一个连续的m a r k o v 状态转移模型，因此当采用 p e t r i 网模型对系统进行可靠性建模后可以采用m a r k o v 过程理论列出概率转移 方程求解系统的性能指标。p e t r i 网模型可以考虑f m s 的柔性及动态特性。 熊红云、何钺在文献中针对可修级联生产线建立了随机p e t r i 网模型“。该 文指出，采用m a r k o v 模型求解此类问题时，只能对2 3 级的低阶系统求得解析 解。当生产阶数增加时，系统状态呈指数增长。对随机p e t r i 网的求解有解析法 与仿真法两种，解析法将s p n 的可达树图映射为m a r k o v 链的状态转移矩阵，然 后用经典的m a r k o v 方法分析。并且与s p n 同构的m a r k o v 链难以得到，另一要求 是p e t r i 网的转移时延须为指数分布，否则难以求解。为此该文采用离散事件仿 真方法进行随机p e t r i 网模型求解，仿真策略采用事件推进法。通过仿真结果统 计可得到机床平均利用率、机床的平均故障率及系统平均生产率等。 范玉顺、吴澄、杨建华在文献中采用有色广义随机p e t r i 网( c g s p n ) 方法 “。文献中定义f m s 的可靠生产率r ，为f m s 完成理想生产率的比率，r f = f m s 实际 生产率( 有故障情况下) f m s 的理想生产率( 无故障情况下) 。c g s p n 是在g s p n 的基础上，通过对其中位置的t o k e n 进行着色、并对每一转移定义出现色而成。 通过对t o k e n 着色，可以对具有个性的同类资源的位置合并，从而简化p e t r i 网 模型。该文研究的f m s 的组成为，两个机床，分别具有一个输入缓冲位及输出缓 冲位，一个自动导引小车( a g v ) ，一个装卸站l u ，一个公用缓冲站b u f f e r 。该 f m s 完成两类具有不同加工路线的工件的加工。在该模型中考虑了机床的故障及 修复过程，人工装卡故障等。论文采用c g s p n 求出系统的可达标识集，再通过嵌 入m a r k o v 链方程求出系统所有标识的稳态概率，从而求出系统的可靠性生产率。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院掌l ：立论文 j i a n gc h a n g j u n d i a ob a i q i n g 和w uf e n g 在文献中强调可靠性问题是系统 分析中十分重要的方面圳，该文研究了s h l 刚( s t o c h a s t i ch i g hl e v e lp e t r in e t ) 模型，通过将位置分类，引入资源位置和故障率与修复率关联位置到s h l p n ，建 立了r s h l p n ( r e p a i r a b l es t o c h a s t i ch i g hl e v e lp e t r in e t ) 模型，并且证明 具育有限位置与转移的r s h l p n 同构子一个有限的可修系统的m a r k e r 链，从而可 通过可达图进行解析求解，文献还针对机器入装配f 髑进行了建模分析。 但目前的几种基于p e t r i 网的f m s 可靠性模型主要存在以下几方面的问题： 模型对f m s 的结构及其它要素依赖性较大，当f m s 的结构或组成配置有 变化时，一般必须重新建立模型，原有的模型很难重用，模型的可维护性差，不 刹于快速进行f m s 设计方案的比较与评价。 豆前的p e t r i 网模型在用于f m s 可靠性建模时对故障过程及其影晌的描 述能力还不自然和不充分f 6 “。当加入故障过程的描述时，模型的关联性及规模也 随之迅速扩大。例如当发生的某一故障同时对若干过程产生影响时，p e t r i 网模 型有时必须分别用几个位置和转移进行表示，加大了所建p e t r i 网模型关联的复 杂性。此外，目前基于p e t r i 网的f m s 可靠性模型般只对物流故障进行描述， 对控制工作站故障则没有考虑，而实际f m s 运控部分的故障也很多。而且由于 这些模型主要是从f m s 车间调度的角度建立的模型，所以一般都没考虑f m s 控制 系统设备的故障。 、 基于指数故障率与维修率的模型，尽管由于与m a r k o v 链的状态图同构， 但由于实际f m s 的p e t r i 网模型的复杂性，。使得要求出其可达图比较困难，而且 可达图状态巨多。当实际故障分布为非指数分布( 如w e i b u l l 分布) 时，解析分 析枣实上难以应用。7 ， 目前有关f m s 的可靠性模型的另一突出闻题是模型的重用性和可维护性 差。模型高度依赖于f m s 的结构、资源配置和工艺计划等因素，当这些因素发 生变化时，往往必须重新建立模型，原有的模型很难重用。这种情况使得难以高 效地对f m s 的不同设计方案的可靠性进行比较。 第1 1 页 国防科掌技走一：掌研笼主院学位 色支 1 3 论文的研究背景及选题 本论文以f m s 可靠性工程设计与分析集成系统中的可靠性建模预计与分配 予系统开发为主要研究背景( 该子系统包括f m s 可靠性可视化建模及f m s 可靠 生预计与分配等功能) ，并在已完成的有关分布式系统的容错技术研究项目的基 础土结合系统可靠性建模分析的前沿发展进行研究。 综合国内外有关研究状况和目前存在的不足，为了便于工程实用与推广应 乏，本论文拟主要针对基于可靠性框图的系统可靠性计算机辅助建模分析方法开 曼深入研究。针对复杂关联动态系统，在建模及分析方法方面进行探索。具体的 三要研究工作内容为如下几个方面： 7 1 ) 计算机辅助系统可靠性可视化建模平台的设计 本论文采用了面向对象的设计技术 6 6 - 6 8 i 相结合的思想进行了计算机辅助系 绩可靠性建模与分析平台的总体设计。平台的研制涉及许多重要技术，包括模型 袭据籍构的设计、各数据库的逻辑设计、图形模型的显示、编辑与变换技术、复 隶系统的可靠性预计与分配计算方法等。关系数据库的设计技术目前已较为成 熟，论文采用编程语言中内嵌的数据库引挈对象实现系统的各数据库。在图形模 型技术方面采用了编程语言中的有关可视化及绘图功能。在系统可靠性的分昕计