系统可靠性仿真

1、第十章第十章 系统可靠性仿真系统可靠性仿真第一节第一节 概述概述 第二节第二节 BlockSim软件使用介绍软件使用介绍 习题习题更多内容请关注http:/ 概述一、一、 可靠性仿真基本方法及步骤可靠性仿真基本方法及步骤（1）建立可靠性数据库）建立可靠性数据库(RDBF)。 （2）构造故障树）构造故障树(FTA)。 （3）建立可靠性模型。）建立可靠性模型。 （4）建立可靠性仿真模型。）建立可靠性仿真模型。 （5）编制仿真程序。）编制仿真程序。 （6）可靠性仿真试验。）可靠性仿真试验。（7）可靠性仿真结果分析与评定。）可靠性仿真结果分析与评定。 二、可靠性建模方法二、可靠性建模方法（1）普通概率

2、法。）普通概率法。 利用普通的概率关系式，利用普通的概率关系式，根据产品的可靠性框图建立可靠性数学模根据产品的可靠性框图建立可靠性数学模型。这种方法可用于单功能和多功能的系型。这种方法可用于单功能和多功能的系统。统。（2）布尔真值表法。）布尔真值表法。 利用布尔代数法，根利用布尔代数法，根据产品可靠性框图建立可靠性数学模型。据产品可靠性框图建立可靠性数学模型。这种方法比普通概率法麻烦，但在熟悉布这种方法比普通概率法麻烦，但在熟悉布尔代数的情况下，这种方法还是有用的。尔代数的情况下，这种方法还是有用的。 （3）逻辑图法。）逻辑图法。 利用逻辑图根据可靠性框利用逻辑图根据可靠性框图建立可靠性数学模

3、型。这种方法比普通图建立可靠性数学模型。这种方法比普通概率法麻烦，但它是布尔真值表法的简化概率法麻烦，但它是布尔真值表法的简化方法，通过各项合并来简化任务可靠度公方法，通过各项合并来简化任务可靠度公式。式。（4）蒙特卡洛模拟法。）蒙特卡洛模拟法。 利用随机抽样方法利用随机抽样方法根据可靠性框图进行可靠性预计。根据可靠性框图进行可靠性预计。 三、三、 建立可靠性仿真模型建立可靠性仿真模型为确保可靠性仿真结构与实际产品试验结为确保可靠性仿真结构与实际产品试验结果接近，在建立可靠性仿真模型之后，要果接近，在建立可靠性仿真模型之后，要进行如下工作：进行如下工作：（1）模型校验。主要验证仿真模型与理论）

4、模型校验。主要验证仿真模型与理论模型是否相符合。模型是否相符合。（2）程序校验。在计算机上运行可靠性仿）程序校验。在计算机上运行可靠性仿真程序，通过试验等手段对程序进行测试。真程序，通过试验等手段对程序进行测试。（3）模型验证。将仿真试验结果与真实试）模型验证。将仿真试验结果与真实试验结果相对比，对可靠性仿真模型作部分验结果相对比，对可靠性仿真模型作部分修改，逐步完善模型。修改，逐步完善模型。（4）模型确认。用经过验证后的仿真模型）模型确认。用经过验证后的仿真模型进行仿真试验，并将仿真试验结果与有关进行仿真试验，并将仿真试验结果与有关的试验数据进行对比分析，在此基础上可的试验数据进行对比分析，

5、在此基础上可邀请各方面专家对仿真模型予以确认。邀请各方面专家对仿真模型予以确认。 四、四、 可靠性仿真前景可靠性仿真前景1 可靠性仿真的特点可靠性仿真的特点（1）能提高系统可靠性。可靠性仿真能够）能提高系统可靠性。可靠性仿真能够处理各种可靠性问题，并且较全面地激发处理各种可靠性问题，并且较全面地激发系统故障和失效，以便找出影响可靠性的系统故障和失效，以便找出影响可靠性的薄弱环节。薄弱环节。（2）节省可靠性投入。）节省可靠性投入。 （3）提高可靠性分析的精度。对于导弹等）提高可靠性分析的精度。对于导弹等复杂的武器系统，它的寿命分布类型较多，复杂的武器系统，它的寿命分布类型较多，用一般的解析方法估

6、计其可靠性参数值，用一般的解析方法估计其可靠性参数值，常与实际值有较大的差距，引起整个系统常与实际值有较大的差距，引起整个系统可靠性分析的误差，而可靠性仿真则要准可靠性分析的误差，而可靠性仿真则要准确可靠得多。确可靠得多。（4）应用范围广。传统分析方法一般只能）应用范围广。传统分析方法一般只能处理具有指数分布类型的系统或设备，如处理具有指数分布类型的系统或设备，如果加上正态分布、对数正态分布和威布尔果加上正态分布、对数正态分布和威布尔分布以及其它复杂的分布类型，解析方法分布以及其它复杂的分布类型，解析方法就无法解决。就无法解决。 （5）通用性好。可靠性仿真过程中建立的）通用性好。可靠性仿真过程

7、中建立的数据库、可靠性仿真模型、计算机系统数据库、可靠性仿真模型、计算机系统(包包括硬件和软件括硬件和软件)通过局部修改、调整，可以通过局部修改、调整，可以应用到不同型号的可靠性研究中，更有利应用到不同型号的可靠性研究中，更有利于可靠性工作的开展。于可靠性工作的开展。2 可靠性仿真应用前景可靠性仿真应用前景 可靠性仿真应用于电子、机械等可靠研究，对提可靠性仿真应用于电子、机械等可靠研究，对提高产品可靠性起到了明显的效果，它还具有经济高产品可靠性起到了明显的效果，它还具有经济性好、应用范围广、通用性好、难度小、直观、性好、应用范围广、通用性好、难度小、直观、保密等优点，对仿真计算机的要求也不高。

8、因此，保密等优点，对仿真计算机的要求也不高。因此，我们有理由相信，可靠性仿真作为仿真技术在可我们有理由相信，可靠性仿真作为仿真技术在可靠性领域的研究成果，作为一种全新的、有效的靠性领域的研究成果，作为一种全新的、有效的可靠性研究方法，它必将在有关产品研制生产的可靠性研究方法，它必将在有关产品研制生产的可靠性工程中取得更广泛的应用和更好的效果。可靠性工程中取得更广泛的应用和更好的效果。随着可靠性分析及仿真软件的逐渐成熟，许多可随着可靠性分析及仿真软件的逐渐成熟，许多可靠性仿真工作可以借助于软件实现，大大减少了靠性仿真工作可以借助于软件实现，大大减少了程式化的工作。程式化的工作。第二节第二节 Bl

9、ockSim软件使用介绍软件使用介绍一、一、 BlockSim 6软件简介软件简介 BlockSim 6利用可靠性框图利用可靠性框图(RBD)对系统对系统进行分析，能够从分立组件的数据中获得进行分析，能够从分立组件的数据中获得整个系统的可靠性精确结果。该软件运用整个系统的可靠性精确结果。该软件运用精确代数方法进行可靠性计算和适宜的可精确代数方法进行可靠性计算和适宜的可靠性配置，提供复杂离散事件的仿真引擎，靠性配置，提供复杂离散事件的仿真引擎，能够对系统的可靠性、可维修性、可用性、能够对系统的可靠性、可维修性、可用性、生产能力、寿命周期成本进行分析。生产能力、寿命周期成本进行分析。二、二、 Bl

10、ockSim 6软件界面介绍软件界面介绍1BlockSim 6软件的启动软件的启动 在在Windows环境下，点击【开始】菜单环境下，点击【开始】菜单【Reliasoft Office】【BlockSim 6】【BlockSim 6】即可启动系统主界面。默认情】即可启动系统主界面。默认情况下主界面前方同时出现一个对话框，如图况下主界面前方同时出现一个对话框，如图10-1所示。这个对话框提供了两种开始工作的方式，所示。这个对话框提供了两种开始工作的方式，一个是创建一个新工程，另一个是打开已存在的一个是创建一个新工程，另一个是打开已存在的工程。最近曾经创建和使用的工程显示在该对话工程。最近曾经创建

11、和使用的工程显示在该对话框的列表框中，可以通过双击鼠标打开对应的工框的列表框中，可以通过双击鼠标打开对应的工程。如果工程不在列表中，可以点击【程。如果工程不在列表中，可以点击【Open an Existing Project】按钮通过常规打开对话框定】按钮通过常规打开对话框定位相应的工程文件来启动一个已有的工程。位相应的工程文件来启动一个已有的工程。图图10-1 系统启动主界面系统启动主界面 如点击【如点击【Create a New Project】按钮则启动创】按钮则启动创建新工程向导对话框，如图建新工程向导对话框，如图10-2所示。该对话框所示。该对话框通过交互方式帮助用户创建一个新工程，

12、通常需通过交互方式帮助用户创建一个新工程，通常需要经历三步。要经历三步。 新建工程对话框向导第一步提供了三种方式来创新建工程对话框向导第一步提供了三种方式来创建一个新工程，分别为基于一个已存在的基本工建一个新工程，分别为基于一个已存在的基本工程进行创建；基于一个已存在工程的部分内容进程进行创建；基于一个已存在工程的部分内容进行创建；创建一个空工程。（以空工程为例）选行创建；创建一个空工程。（以空工程为例）选择相应的需要点击【择相应的需要点击【Next】进入第二步，对话框】进入第二步，对话框如图如图10-3所示。在这个界面下，用户可以对新建所示。在这个界面下，用户可以对新建工程中将使用的内容进行

13、选择。工程中将使用的内容进行选择。“A new blank diagram”创建一个空图纸，创建一个空图纸，“A new blank fault tree”创建一个空图纸；创建一个空图纸；“A new blank template”创建一个空模板。创建一个空模板。图图10-2 新建工程对话框向导第一步新建工程对话框向导第一步 对此可以选择【Finish】按钮结束创建新工程工作。当然可以选择【Next】按钮进入第三步，然后再选择【Finish】按钮结束创建新工程工作，第三步通常给用户提供一个创建新工程的报告。这时系统将创建一个用户定制的新工程。图图10-3 新建工程对话框向导第二步新建工程对话框

14、向导第二步2系统界面元素介绍 系统界面如图10-4所示。图图10-4 系统界面元素介绍系统界面元素介绍 菜单栏菜单栏工具条工具条工程浏览器工程浏览器处于工作处于工作区内区内RBD作作图区图区模板模板模板标签模板标签状态条状态条三、三、 基于基于RBD图进行可靠性分析与仿真图进行可靠性分析与仿真例例10-1 一个计算机由两个硬盘和一块电路板一个计算机由两个硬盘和一块电路板三个部件组成。两个硬盘在系统中并联。三个部件组成。两个硬盘在系统中并联。 每个部件的可靠性和优化特性如表每个部件的可靠性和优化特性如表10-2所所示。示。表表10-2 部件可靠性和优化特性部件可靠性和优化特性部件部件失效失效分布

15、分布参数参数最大可达可最大可达可靠度靠度提高可靠度提高可靠度的难度的难度硬盘硬盘1Hard drive1威布威布尔尔Beta=2.5Eta=3000天天Gamma=00.999Moderate硬盘硬盘2Hard Drive2指数指数Mean Time=10000Gamma=00.999Easy电路板电路板Circuit Board威布威布尔尔Beta=1.5Eta=5000天天Gamma=00.999Hard 完成如下内容：完成如下内容：（1）创建一个可靠性框图（）创建一个可靠性框图（RBD）；）；（2）计算系统运行到）计算系统运行到730天的系统可靠度；天的系统可靠度；（3）基于可靠性框图进

16、行）基于可靠性框图进行“What-If”可靠度可靠度计算。如果计算。如果Hard Drive1被移除，计算系统被移除，计算系统运行到运行到730天时的可靠度；天时的可靠度；（4）给出达到系统整体可靠度）给出达到系统整体可靠度0.98的各部件的各部件可靠度优化分配方案；可靠度优化分配方案；（5）基于给定的维修性参数进行系统的有）基于给定的维修性参数进行系统的有效度和维修度仿真。效度和维修度仿真。 操作步骤如下：操作步骤如下：（1）创建一个可靠性框图（）创建一个可靠性框图（RBD） 在系统启动状态下，也可以通过点击在系统启动状态下，也可以通过点击【New】按钮或者选择【】按钮或者选择【File】菜

17、单中】菜单中【New】菜单项启动创建新工程向导对话】菜单项启动创建新工程向导对话框。如事先已打开了一个工程，并对其内框。如事先已打开了一个工程，并对其内容进行了修改，系统会提示你是否保存，容进行了修改，系统会提示你是否保存，按需要进行相关操作便可。对于本例，请按需要进行相关操作便可。对于本例，请依次在向导中选择依次在向导中选择Blank Project、A New Blank Diagram、A New Blank Template选项完成新工程创建，进入系统主界面。选项完成新工程创建，进入系统主界面。 首先选择模板使其处于激活状态（即为当首先选择模板使其处于激活状态（即为当前窗口），前窗口）

18、， 然后单击工具栏中的【然后单击工具栏中的【Add New Block】或【或【Template】菜单中的【】菜单中的【Add Block】菜单项，在模板中创建一个块。对于块的菜单项，在模板中创建一个块。对于块的外观、名称、颜色、尺寸、字体及文字等外观、名称、颜色、尺寸、字体及文字等都可以通过选定该块然后单击鼠标右键，都可以通过选定该块然后单击鼠标右键，在其快捷菜单中点选【在其快捷菜单中点选【Block Style】选项】选项打开打开“块类型块类型”对话框进行设置。对话框进行设置。 如图如图10-5所示。每个块的表面可以象工具所示。每个块的表面可以象工具栏中按钮一样在其表面附着一个有意义的栏中

19、按钮一样在其表面附着一个有意义的gif图片使其更直观。图片使其更直观。图图10-5 Block Style对话框对话框 依照上述方法，分别在模板中创建了硬盘依照上述方法，分别在模板中创建了硬盘块（块（Hard Drive）、电路板块（）、电路板块（Circuit Board）以及一个开始块（）以及一个开始块（Starting Block），如图），如图10-6所示。因为对于一个所示。因为对于一个RBD图必须有一个起点和一个终点，这个图必须有一个起点和一个终点，这个开始块只是作为一个起始标志，其不具有开始块只是作为一个起始标志，其不具有失效特性。失效特性。图图10-6 在模板中创建的每个部件的块

20、在模板中创建的每个部件的块 到现在可以通过把模板中的块拖到到现在可以通过把模板中的块拖到RBD图图纸上来创建一个纸上来创建一个RBD图。方法是在模板中图。方法是在模板中选择相应的部件，然后按住鼠标左键向选择相应的部件，然后按住鼠标左键向RBD图纸方向拖动，最后在你想放置的位图纸方向拖动，最后在你想放置的位置释放鼠标左键，这时就会有一个模板中置释放鼠标左键，这时就会有一个模板中相应部件的副本出现在图纸上。放置的结相应部件的副本出现在图纸上。放置的结果如图果如图10-7所示。所示。 接下来按表10-2设置各个部件的失效分布及其各自的参数属性。选中要设置属性的部件，双击鼠标左键或通过右键快捷菜单打开

21、“Block Properties”对话框。对于Starting Block部件只是作为起始点，在块属性对话框中的【Reliability】标签页中使【Block Can Fail】选项处于非选中状态，不参与可靠性计算。其他部件需选中该选项，然后设置其分布类型及相应的参数。修改块的名字可在【General】标签中进行。硬盘1的属性设置如图10-8所示。图图10-7 部件布置结果部件布置结果图图10-8 Hard Drive1块的属性设置块的属性设置 现在连接四个部件来呈现该系统的功能关现在连接四个部件来呈现该系统的功能关系。点选工具栏中的【系。点选工具栏中的【Join Blocks】按钮，】按

22、钮，当鼠标移动图纸区域时，光标变成了十成当鼠标移动图纸区域时，光标变成了十成形状，依次连接形状，依次连接Starting Block到到Hard Drive1，Starting到到Hard Drive2，Hard Drive1到到Circuit Board，Hard Drive2到到Circuit Board。然后在图纸区域任意地方。然后在图纸区域任意地方右击鼠标右键，光标恢复点选【右击鼠标右键，光标恢复点选【Join Blocks】之前的形状。连接后如图】之前的形状。连接后如图10-9所所示。示。图图10-9 连接后的可靠性框图连接后的可靠性框图 这时用户便可以基于这个分析来绘制相应这时用户

23、便可以基于这个分析来绘制相应的图形。点选控制面板中该区域的的图形。点选控制面板中该区域的【Analytical Plot】按钮或【】按钮或【Tools】菜单】菜单中的对应菜单项。默认情况下，绘制的是中的对应菜单项。默认情况下，绘制的是不可靠度与时间图形，如图不可靠度与时间图形，如图10-10所示。可所示。可以通过选择图形右边控制面板中【以通过选择图形右边控制面板中【Plot Type】下拉列表框选择希望看到的相应图】下拉列表框选择希望看到的相应图形。这时如果要回到形。这时如果要回到RBD图形状态，可以图形状态，可以通过单击该项面下的标签【通过单击该项面下的标签【Diagram】实】实现。现。图

24、图10-10 不可靠度与时间图形不可靠度与时间图形 （2）计算系统运行到）计算系统运行到730天的系统可靠度天的系统可靠度 选择控制面板中的【选择控制面板中的【Analytical QCP】按】按钮或【钮或【Tools】菜单中对应菜单项。快速计】菜单中对应菜单项。快速计算薄算薄QCP对话框将被打开。对话框将被打开。QCP中包含两中包含两个标签页，常规页【个标签页，常规页【general】和优化页】和优化页【Optimization】。在常规页中选择【】。在常规页中选择【Std. Probability Calculations】来计算系统的】来计算系统的可靠度。在任务结束时间【可靠度。在任务结

25、束时间【Mission End Time】中输入】中输入730，然后点选【，然后点选【Calculate】按钮，这时在结果一栏中将出现如图按钮，这时在结果一栏中将出现如图10-11所示的结果，系统可靠度为所示的结果，系统可靠度为0.9438。图图10-11 QCP对话框对话框（3）基于可靠性框图进行）基于可靠性框图进行“What-If”可靠度可靠度计算。如果计算。如果Hard drive1被移除，计算系统被移除，计算系统运行到运行到730天时的可靠度；天时的可靠度；（4）给出达到系统整体可靠度）给出达到系统整体可靠度0.98的各部件的各部件可靠度优化分配方案可靠度优化分配方案 BlockSim

26、也提供了进行可靠性分配优化功也提供了进行可靠性分配优化功能，通过提高个别部件的可靠性达到系统能，通过提高个别部件的可靠性达到系统的可靠性目标。的可靠性目标。 双击双击Hard Drive1部件块打开块属性对话框。部件块打开块属性对话框。选择【选择【Other】标签页进行可靠性分配设置。】标签页进行可靠性分配设置。选择【选择【Block to be used in optimized allocation】选项，对该部件可靠度进行优】选项，对该部件可靠度进行优化，并设置【化，并设置【Max Achievable Reliability】为为0.999，这个设置表明该部件经过努力可，这个设置表明该

27、部件经过努力可达到最高可靠度。然后拖动【达到最高可靠度。然后拖动【System Pre-Defined-Feasibility】中的滑块到】中的滑块到“Moderate”，表明对于提高该部件可靠，表明对于提高该部件可靠度处于中等难度。设置结果如图度处于中等难度。设置结果如图10-12所示。所示。 单击【单击【Ok】按钮设置完毕，这时在】按钮设置完毕，这时在RBD图图上该部件块的右下角出现一个绿色的方块，上该部件块的右下角出现一个绿色的方块，表明该部件在优化中将被考虑。重复同样表明该部件在优化中将被考虑。重复同样的步骤，按表的步骤，按表10-2中的内容设置其他两个中的内容设置其他两个部件。注意在

28、设置每个部件优化参数时一部件。注意在设置每个部件优化参数时一定要勾选【定要勾选【Block to be used in optimized allocation】选项。】选项。图图10-12 Hard Drive1可靠度优化设置结果可靠度优化设置结果 重新打开分析重新打开分析QCP对话框，选择优化标签。对话框，选择优化标签。在该页中允许你设置和运行系统可靠性分在该页中允许你设置和运行系统可靠性分配优化算法。在配优化算法。在【Misson End Time】键】键入入730；在【；在【Reliability Goal】中键入】中键入0.98，接受【，接受【Iterations】中的默认值】中的默

29、认值50，然后选择【然后选择【Show Results Automatically】选项。整个设置如图选项。整个设置如图10-13所示。所示。图图10-13 QCP优化参数设置优化参数设置 最后单击【最后单击【Calculate】按钮执行优化过程。】按钮执行优化过程。由于选择了【由于选择了【Show Results Automatically】选项，优化过程运行结束】选项，优化过程运行结束后，会自动弹出结果面板，如图后，会自动弹出结果面板，如图10-14所示。所示。图图10-14 优化结果面板优化结果面板 每一个部件的可靠度优化目标列在每一个部件的可靠度优化目标列在“R-goal(730)”一

30、栏中，表示为了达到系统可一栏中，表示为了达到系统可靠度靠度0.98的目标，在费用最小情况下需提的目标，在费用最小情况下需提高部件可靠度的优化方案。高部件可靠度的优化方案。N.E.P.U.*栏列栏列出的是为了达到部件的目标可靠度需要并出的是为了达到部件的目标可靠度需要并联的相同单元数目。联的相同单元数目。图图10-15 系统仿真参数设置系统仿真参数设置 （5）基于给定的维修性参数进行系统的有）基于给定的维修性参数进行系统的有效度和维修度仿真效度和维修度仿真 假定该系统只采用事后维修策略，维修性假定该系统只采用事后维修策略，维修性参数见表参数见表10-3所示。所示。表表10-3 部件维修性参数部件

31、维修性参数部件部件维修分布维修分布参数参数硬盘硬盘1Hard Drive 1ExponentialMean Time =1.008 Gamma = 0硬盘硬盘2Hard Drive 2ExponentialMean Time =1.008 Gamma = 0电路板电路板Circuit BoardNormalMean =0.812 Std = 0.3542 打开各个部件块的块属性对话框，在其相应的打开各个部件块的块属性对话框，在其相应的【maintenance】标签页【】标签页【Corrective】中设置】中设置表表10-3中所列的参数。中所列的参数。 参数设置完毕后，单击参数设置完毕后，单击

32、RBD图纸中控制面板的图纸中控制面板的【Simulate】按钮或【】按钮或【Tools】菜单中对应的选】菜单中对应的选项，项，“Maintainability/Availability Simulation”窗体弹出。在【窗体弹出。在【General】标签页中设置【】标签页中设置【End Time】为】为730天。【天。【Increments】为】为100，表示，表示用于计算有效度结果的时间增加量。选择【用于计算有效度结果的时间增加量。选择【Use a Seed】并设置其值为】并设置其值为1,这样可以方便你重做得这样可以方便你重做得到同样的结果。选择【到同样的结果。选择【Fixed number of simulations】并键入值】并键入值1000，它指定进行仿真，它指定