專利名稱：一種適用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的隨機(jī)因素注入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的隨機(jī)因素(主要指具有動(dòng)態(tài)特性的隨機(jī) 參數(shù)和故障)注入方法，它是系統(tǒng)可靠性仿真分析領(lǐng)域的一種隨機(jī)因素實(shí)現(xiàn)方法，致力于 解決系統(tǒng)仿真模型中隨機(jī)因素動(dòng)態(tài)特性的合理描述及自動(dòng)注入問題，屬于可靠性工程技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代質(zhì)量觀中，可靠性逐漸成為產(chǎn)品的一個(gè)重要屬性。現(xiàn)代產(chǎn)品越來越復(fù)雜，軟 硬件復(fù)雜程度日益增加，使得影響產(chǎn)品可靠性的因素越來越多。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的可靠性受噪 聲、干擾等短周期因素以及故障、磨損、結(jié)構(gòu)參數(shù)退化等長周期因素的綜合影響，并且這些 影響因素大多是具有隨機(jī)性的動(dòng)態(tài)過程。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中廣泛采用各種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (Computer AidedDesign, CAD)軟件，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。通過建 立的產(chǎn)品CAD模型，在模型中注入具有動(dòng)態(tài)特性的隨機(jī)因素，并觀察和記錄注入的隨機(jī)因 素對(duì)系統(tǒng)的影響，是評(píng)測產(chǎn)品可靠性的重要途徑。因此，如何借助產(chǎn)品CAD軟件工具，對(duì)系 統(tǒng)模型注入具有動(dòng)態(tài)特性的隨機(jī)因素，進(jìn)而評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性，是可靠性工程專業(yè)迫切需 要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的隨機(jī)因素注入方法，它基于 CAD等軟件工具，在仿真過程中實(shí)現(xiàn)隨機(jī)因素的動(dòng)態(tài)特性和自動(dòng)注入，模擬系統(tǒng)中存在的各 種隨機(jī)參數(shù)和故障的發(fā)生過程，以滿足產(chǎn)品可靠性評(píng)測的需要。本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明基于CAD等軟件工具，通過建立底層部件的行為模型，自動(dòng)注入具有動(dòng)態(tài) 特性的隨機(jī)因素，所述的隨機(jī)因素主要是指具有動(dòng)態(tài)特性的隨機(jī)參數(shù)和故障。本發(fā)明一種適用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的隨機(jī)因素注入方法，該方法具體步驟如下步驟1 目標(biāo)對(duì)象確定研究模型對(duì)象層次，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行層次分解，形成相對(duì)獨(dú)立 的子系統(tǒng)，并確定其中需要進(jìn)行隨機(jī)因素注入的系統(tǒng)作為目標(biāo)對(duì)象；步驟2:隨機(jī)因素收集對(duì)已經(jīng)確定的目標(biāo)對(duì)象，收集影響其可靠性的各種隨機(jī)參 數(shù)和故障類型，并加以匯總；步驟3 隨機(jī)因素分析與建模對(duì)匯總的隨機(jī)因素進(jìn)行整理分析，并建立描述隨機(jī) 因素動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，將其變化規(guī)律固化。步驟4 行為模型建立針對(duì)目標(biāo)對(duì)象，通過外購商用軟件(MATLAB和AMESim)，構(gòu) 建目標(biāo)對(duì)象行為模型，將隨機(jī)因素的數(shù)學(xué)模型模塊化，以在仿真過程中實(shí)現(xiàn)隨機(jī)因素的自 動(dòng)注入。步驟5 行為模型封裝對(duì)建立的目標(biāo)對(duì)象行為仿真模型，利用商用軟件(MATLAB 和AMESim)自帶的圖形化用戶界面(Graphic User hterface，⑶I)進(jìn)行封裝，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，方便用戶使用。其中，在步驟1中所述的模型對(duì)象是指已經(jīng)建立的對(duì)象CAD軟件模型，MATLAB中 對(duì)應(yīng)的是軟件工具生成的“*. mdl，，類型文件，AMESim中對(duì)應(yīng)的是軟件工具生成的“*. ame" 類型文件。步驟1中所述的獨(dú)立的子系統(tǒng)是指劃分的模塊在功能和結(jié)構(gòu)上盡量獨(dú)立，能夠 方便描述或模塊化，這樣具有較好的可移植性和維護(hù)性。步驟1中的目標(biāo)對(duì)象要求層次越 低越好，高層次的故障都是由低層次的故障引起的，層次越低，建模越容易。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜 的子系統(tǒng)，可進(jìn)一步細(xì)化，將其中組件模塊化。其中，在步驟2中所述的隨機(jī)因素包括系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的具有動(dòng)態(tài)特性的隨 機(jī)參數(shù)和故障兩類。步驟2中所述的隨機(jī)因素收集的主要途徑是對(duì)于新研產(chǎn)品，主要查找 國內(nèi)外相似產(chǎn)品的歷史數(shù)據(jù)、資料，統(tǒng)計(jì)匯總其在不同情況、條件下存在的所有問題；對(duì)于 改進(jìn)產(chǎn)品，主要查找、總結(jié)該產(chǎn)品歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)在不同工作情況下存在的所有問題。其中，在步驟3中所述的隨機(jī)因素分析是指從匯總的資料中找出對(duì)每一個(gè)目標(biāo)對(duì) 象有影響的全部可能隨機(jī)因素，并明確隨機(jī)因素有效的判別準(zhǔn)則，剔除無效隨機(jī)因素。在 步驟三中所述的描述隨機(jī)因素動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)隨機(jī)因素類型的不同具有不同描 述。對(duì)于參數(shù)變化規(guī)律，可以用隨機(jī)過程進(jìn)行描述；對(duì)于故障變化規(guī)律，可以用馬爾可夫過 程進(jìn)行描述。其中，在步驟4中所述的行為模型，根據(jù)隨機(jī)因素類型不同構(gòu)造也不同對(duì)于故障，行為模型內(nèi)部有三個(gè)主要組成部分，原理框圖如

圖1所示。三個(gè)組成部 分分別為正常功能單元，用以描述目標(biāo)對(duì)象在正常工作條件下的物理特性；故障特性單 元，用以描述目標(biāo)對(duì)象處于指定故障模式狀態(tài)時(shí)的物理特性；切換單元，用以描述故障的動(dòng) 態(tài)特性。在單次仿真任務(wù)過程中，切換單元按照目標(biāo)對(duì)象失效律隨機(jī)抽取目標(biāo)對(duì)象的壽命 時(shí)間，然后在每個(gè)步長提取當(dāng)前仿真時(shí)間，動(dòng)態(tài)判斷是否發(fā)生故障。如果在仿真任務(wù)中發(fā)生 故障，則按照每個(gè)故障模式的轉(zhuǎn)移概率，隨機(jī)選擇發(fā)生的故障模式并注入仿真模型中，以模 擬故障的動(dòng)態(tài)發(fā)生過程。假設(shè)每種故障模式的模式失效率分別為fl、f2. . . fn，且狀態(tài)只能 由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)移到某一種故障模式，則每種故障模式轉(zhuǎn)移概率由下式獲得
權(quán)利要求
1.一種適用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的隨機(jī)因素注入方法，其特征在于，該方法依照下述5個(gè) 步驟進(jìn)行步驟1 目標(biāo)對(duì)象確定研究模型對(duì)象層次，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行層次分解，形成相對(duì)獨(dú)立的子 系統(tǒng)，并確定其中需要進(jìn)行隨機(jī)因素注入的系統(tǒng)作為目標(biāo)對(duì)象；步驟2 隨機(jī)因素收集對(duì)已經(jīng)確定的目標(biāo)對(duì)象，收集影響其可靠性的各種隨機(jī)參數(shù)和 故障類型，并加以匯總；步驟3 隨機(jī)因素分析與建模對(duì)匯總的隨機(jī)因素進(jìn)行整理分析，并建立描述隨機(jī)因素 動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，將其變化規(guī)律固化；步驟4 行為模型建立針對(duì)目標(biāo)對(duì)象，通過外購商用軟件MATLAB和AMESim，構(gòu)建目 標(biāo)對(duì)象行為模型，將隨機(jī)因素的數(shù)學(xué)模型模塊化，以在仿真過程中實(shí)現(xiàn)隨機(jī)因素的自動(dòng)注 入；步驟5 行為模型封裝對(duì)建立的目標(biāo)對(duì)象行為仿真模型，利用商用軟件即MATLAB和 AMESim自帶的圖形化用戶界面即Graphic User hterface，⑶I進(jìn)行封裝，并設(shè)置相關(guān)參 數(shù)，方便用戶使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的隨機(jī)因素注入方法，其特征在 于在步驟1中所述的模型對(duì)象是指已經(jīng)建立的對(duì)象CAD軟件模型，MATLAB中對(duì)應(yīng)的是軟 件工具生成的“*. mdl ”類型文件，AMESim中對(duì)應(yīng)的是軟件工具生成的“*. ame"類型文件； 步驟1中所述的獨(dú)立的子系統(tǒng)是指劃分的模塊在功能和結(jié)構(gòu)上盡量獨(dú)立，能夠方便描述、 模塊化，這樣具有較好的可移植性和維護(hù)性；步驟1中的目標(biāo)對(duì)象要求層次越低越好，層次 越低，建模越容易；對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的子系統(tǒng)，進(jìn)一步細(xì)化，將其中組件模塊化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的隨機(jī)因素注入方法，其特征在 于在步驟2中所述的隨機(jī)因素包括系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的具有動(dòng)態(tài)特性的隨機(jī)參數(shù)和故 障兩類；步驟2中所述的隨機(jī)因素收集的途徑是對(duì)于新研產(chǎn)品，查找國內(nèi)外相似產(chǎn)品的歷 史數(shù)據(jù)、資料，統(tǒng)計(jì)匯總其在不同情況、條件下存在的所有問題；對(duì)于改進(jìn)產(chǎn)品，查找、總結(jié) 該產(chǎn)品歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)在不同工作情況下存在的所有問題。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的隨機(jī)因素注入方法，其特征在 于在步驟3中所述的隨機(jī)因素分析是指從匯總的資料中找出對(duì)每一個(gè)目標(biāo)對(duì)象有影響的 全部可能隨機(jī)因素，并明確隨機(jī)因素有效的判別準(zhǔn)則，剔除無效隨機(jī)因素；在步驟3中所述 的描述隨機(jī)因素動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)隨機(jī)因素類型的不同具有不同描述；對(duì)于參數(shù) 變化規(guī)律，用隨機(jī)過程進(jìn)行描述；對(duì)于故障變化規(guī)律，用馬爾可夫過程進(jìn)行描述。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的隨機(jī)因素注入方法，其特征在 于在步驟4中所述的行為模型，根據(jù)隨機(jī)因素類型不同構(gòu)造也不同對(duì)于故障，行為模型內(nèi)部有三個(gè)組成部分，分別為正常功能單元，用以描述目標(biāo)對(duì)象 在正常工作條件下的物理特性；故障特性單元，用以描述目標(biāo)對(duì)象處于指定故障模式狀態(tài) 時(shí)的物理特性；切換單元，用以描述故障的動(dòng)態(tài)特性；在單次仿真任務(wù)過程中，切換單元按 照目標(biāo)對(duì)象失效律隨機(jī)抽取目標(biāo)對(duì)象的壽命時(shí)間，然后在每個(gè)步長提取當(dāng)前仿真時(shí)間，動(dòng) 態(tài)判斷是否發(fā)生故障；如果在仿真任務(wù)中發(fā)生故障，則按照每個(gè)故障模式的轉(zhuǎn)移概率，隨機(jī) 選擇發(fā)生的故障模式并注入仿真模型中，以模擬故障的動(dòng)態(tài)發(fā)生過程；設(shè)每種故障模式的 模式失效率分別為fl、f2. . . fn，且狀態(tài)只能由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)移到某一種故障模式，則每種故障模式轉(zhuǎn)移概率由下式獲得 'Λ=/1/(/1 + /2 + ··· + >) 4=/2/(/1 + /2 + ··· + >)<λη= fit! (fl + f2 + - +fit)設(shè)每一種故障模式對(duì)應(yīng)一個(gè)事件，則每一事件的相對(duì)失效概率分別為λ2，...， λ η;設(shè)想取一條長度為1直線，并將其分成η個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間長度分別為λ 2，...， λ η;抽取0-1之間隨機(jī)數(shù)η，向該長度為1的直線落點(diǎn)，當(dāng)其落入?yún)^(qū)間λ廠入㈣時(shí)視作第 j種故障模式發(fā)生；對(duì)于隨機(jī)參數(shù)，行為模型內(nèi)部有兩個(gè)組成部分，分別為正常功能單元， 用以描述產(chǎn)品在正常輸出的特性；動(dòng)態(tài)特性單元，用以描述隨機(jī)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的特性；在 仿真過程中的每個(gè)步長，動(dòng)態(tài)特性單元根據(jù)步驟3中得到的描述隨機(jī)參數(shù)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué) 模型，隨機(jī)抽取符合該規(guī)律的參數(shù)值，并注入到仿真模型中，以模擬隨機(jī)參數(shù)的發(fā)生過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的隨機(jī)因素注入方法，其特征在 于在步驟5中所述的設(shè)置相關(guān)參數(shù)是指設(shè)置表征系統(tǒng)正常工作的性能參數(shù)和表征系統(tǒng)具 有的隨機(jī)參數(shù)和故障的特性參數(shù)。
全文摘要
一種使用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的隨機(jī)因素注入方法，該方法依照下述5個(gè)步驟進(jìn)行1，對(duì)模型進(jìn)行層次分解，確定隨機(jī)因素注入目標(biāo)對(duì)象；2，收集影響目標(biāo)對(duì)象特性的隨機(jī)因素；3，對(duì)收集到的隨機(jī)因素進(jìn)行分析，確定典型隨機(jī)因素；4，建立隨機(jī)因素行為模型；5，對(duì)行為模型進(jìn)行封裝，便于人機(jī)交互使用。本發(fā)明為可靠性仿真過程中隨機(jī)因素注入提供了一種解決方案，通過模塊化方式進(jìn)行自動(dòng)選擇并隨機(jī)注入，具有較好的可移植性，能夠提高仿真的可信度。它在可靠性工程技術(shù)領(lǐng)域里具有較好的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102136017SQ201110063949
公開日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者任羿, 馮強(qiáng), 姜青岳, 孫博, 曾聲奎, 郭健彬, 馬紀(jì)明 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)