基于离散事件和蒙特卡洛仿真的复杂系统可靠性评估方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于离散事件和蒙特卡洛仿真方法评估复杂系统可靠性/可用性水平的方法。目的和解决的问题是：提升复杂系统模型的建模和可靠性评估的能力。该方法首先识别采用基本的建模元素构建系统的可靠性模型，这些基本的建模元素包括串联、并联、表决、旁联、桥联、载荷共享；模型构建完成后，基于离散事件仿真的方法，根据模型单元的失效分布，采样每一个单元的失效时间，当单元失效后，判断单元失效对于系统的影响，并记录在给定的任务时间内单元是否失效，若失效则记录系统的失效时间，若无失效，则记录为任务时间；最后，基于离散事件仿真过程，采用蒙特卡洛仿真方法，进行多轮仿真，得到在每一轮仿真过程中的系统失效时间，汇总并统计结果，得到系统的可靠度结果。得到系统的可靠度结果。得到系统的可靠度结果。

【技术实现步骤摘要】
基于离散事件和蒙特卡洛仿真的复杂系统可靠性评估方法
所属

[0001]本专利技术提供了一种基于离散事件和蒙特卡洛仿真方法评估复杂系统可靠性的。它适用于复杂系统的可靠性评估。本专利技术属于系统可靠性评估


技术介绍

[0002]当前，系统的规模越来越大，系统特性也日趋复杂，在系统可靠性分析领域，系统可靠性分析模型常局限于描述系统的静态特性，对于系统的动态特性描述的较少，即便是已有的基于Markov、GSPN的系统可靠性模型，由于理论方法的局限性，使得对这些动态模型的分析都具有较强的假设或约束，难以满足系统可靠性评估的实际需求。
[0003]本专利技术提出了一种基于离散事件和蒙特卡洛仿真方法评估复杂系统可靠性水平的方法。该方法基于动态建模元素描述系统的动态特性，又利用仿真方法实现了对于系统失效分布类型的的扩展，可以极大的扩展系统可靠性分析的能力。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于离散事件和蒙特卡洛仿真方法评估复杂系统可靠性水平的方法。目的和解决的问题是：提升复杂系统模型的建模和可靠性评估的能力。该方法首先识别采用基本的建模元素构建系统的可靠性模型，这些基本的建模元素包括串联、并联、表决、旁联、桥联、载荷共享；模型构建完成后，基于离散事件仿真的方法，根据模型单元的失效分布，采样每一个单元的失效时间，当单元失效后，判断单元失效对于系统的影响，并记录在给定的任务时间内单元是否失效，若失效则记录系统的失效时间，若无失效，则记录为任务时间；最后，基于离散事件仿真过程，采用蒙特卡洛仿真方法，进行多轮仿真，得到在每一轮仿真过程中的系统失效时间，汇总并统计结果，得到系统的可靠度结果。
[0005]本专利技术是一种基于离散时间和蒙特卡洛仿真方法评估复杂系统可靠性的方法，包含以下三部分：
[0006]第一部分：复杂系统模型建模。
[0007]首先介绍构建复杂系统可靠性模型的基本的建模结果：
[0008](1)串联模型
[0009]如图1所示，模型的所有组成单元中任一单元的故障都会导致整个系统故障的模型。模型是由n个部件组成，s
i
为部件i的状态，对于任意的i有s
i
＝1，则系统状态S＝1正常。
[0010](2)普通并联模型
[0011]如图2所示组成系统，当所有单元都发生故障时，系统才发生故障的模型。设模型是由n个部件组成，s
i
为部件i的状态，对于任意的i有s
i
＝0，则系统状态S＝0。
[0012](3)载荷共享模型
[0013]如图3所示的结构，当一些单元共同承担一个载荷时，由于一个单元的故障而导致剩下的单元载荷增加，进而发生故障。这种故障称为载荷共享故障，描述这种现象的模型称为载荷共享模型。对于这一类模型需要知道总共的共享载荷单元数，单元的失效分布类型
以及每次仿真有多少单元正常工作。
[0014]在载荷共享模型中做出如下规定
[0015](1)系统不可修
[0016](2)共享载荷模型中所有单元服从相同分布
[0017](3)仅支持指数分布
[0018](4)共享载荷模型中当单元损坏数大于数值k时，模型视为失效
[0019]共享载荷的失效率变化使用如下公式计算：
[0020][0021]j为失效单元的个数，n为共享载荷模型的单元数。λ0表示单元初始的失效率，λ
j
表示损坏j个单元时每个单元的失效率。
[0022](4)表决模型
[0023]n个单元及一个表决器组成的表决模型如图4所示。默认表决器正常，不会故障，正常的单元数不小于r(1≤r≤n)系统就不会故障，这样的系统称为r/n(G)表决模型，它是工作储备模型的一种形式。
[0024]设模型是由n个部件组成，s为每个部件的状态，正常工作时所需的部件个数为i，x为n中正常工作的个数(x＝1),当x>i时，系统正常工作。
[0025]假设模型中有三个单元，正常状态用“1”表示，故障状态用“0”表示，由表决模型特点可知至少有两个单元都为“1”时系统才能正常工作。
[0026](5)旁联模型
[0027]组成系统的n个单元只有一个单元工作，当工作单元故障时，通过转换装置转移到另一个单元继续工作，直到所有单元都故障时系统才故障，这样的系统称为非工作贮备系统，又称为旁联模型，如图5所示。
[0028]贮备系统按照贮备单元的负载情况可考虑冷贮备系统和温贮备系统。冷贮备系统为无载贮备，贮备单元在贮备期间是效率为零；温贮备为轻载贮备，贮备单元在贮备期间失效率小于工作期间失效率但不为零。
[0029]旁联模型由于其特殊的工作方式，不考虑转换装置的故障与否，直接检测最后一个单元的工作状态，若最后一个单元工作状态为“1”则系统正常工作，反之故障。设模型是由n个部件组成，s为每个部件的状态，当最后一个部件的s＝1时，系统正常工作。
[0030]若为温备系统，由于储备期间单元存在失效的可能，则需要检测所有的单元中是否有单元状态为1，若有，则系统正常工作。
[0031](6)桥联模型
[0032]系统某些功能冗余形式或替代工作方式的实现是一种桥联的形式。如图6所示。桥联模型可以看做是由若干个串联模型组成的模型，对于如图6所示的模型，结构函数为S＝A*B+C*D+A*E*D+C*E*B，各单元的取值为{0,1}，当结构函数输出为1时，系统正常，输出为0时，系统失效。
[0033]第二部分：基于离散事件仿真方法系统故障仿真。
[0034]基于离散事件仿真方法的系统故障仿真流程如图6所示，主要包括如下步骤：
[0035]步骤1：初始化离散事件队列；遍历模型中的每一个工作单元，并根据单元的失效
分布，抽样出单元的失效时间；
[0036]步骤2：按照失效时间由小到达的顺序加入离散事件队列；
[0037]步骤3：判断离散事件队列是否为空，为空则本轮的系统故障仿真结束；不为空，转步骤4；
[0038]步骤4：取出离散事件队列中的队首单元，判断单元类型是否为基本单元，若是，则转步骤5，若否，则转步骤6；
[0039]步骤5：判断单元是否为备份结构下的主单元，若是，转步骤7，否，转步骤8；
[0040]步骤6：判断节点是否是备份单元，若是，则转步骤10，若否，则转步骤11；
[0041]步骤7：将单元置为失效，增加失效次数1次，转步骤9；
[0042]步骤8：将单元置为失效，失效次数加1，转步骤6；
[0043]步骤9：判断该单元是否有可用的备份单元，若有，则转步骤12，若无，则转步骤13；
[0044]步骤10：判断该备份单元是否被使用，若是，则转步骤9，否则转步骤14；
[0045]步骤11：判断节点是否失效，若是，则转步骤15，否则转步骤3；
[0046]步骤12：抽样备份单元的失效时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于离散事件和蒙特卡洛仿真方法评估复杂系统可靠性水平的方法，其特征在于，包含以下两个组成部分：(1)基于离散事件仿真方法系统故障仿真；(2)基于蒙特卡洛仿真方法的系统可靠性评估。2.根据权利要求1所述的一种基于离散事件和蒙特卡洛仿真方法评估复杂系统可靠性水平的方法，其特征在于在组成部分(1)中，系统故障仿真过程如下：步骤1：初始化离散事件队列；遍历模型中的每一个工作单元，并根据单元的失效分布，抽样出单元的失效时间；步骤2：按照失效时间由小到达的顺序加入离散事件队列；步骤3：判断离散事件队列是否为空，为空则本轮的系统故障仿真结束；不为空，转步骤4；步骤4：取出离散事件队列中的队首单元，判断单元类型是否为基本单元，若是，则转步骤5，若否，则转步骤6；步骤5：判断单元是否为备份结构下的主单元，若是，转步骤7，否，转步骤8；步骤6：判断节点是否是备份单元，若是，则转步骤10，若否，则转步骤11；步骤7：将单元置为失效，增加失效次数1次，转步骤9；步骤8：将单元置为失效，失效次数加1，转步骤6；步骤9：判断该单元是否有可用的备份单元，若有，则转步骤12，若无，则转步骤13；步骤10：判断该备份单元是否被使用，若是，则转步骤9，否则转步骤14；步骤11：判断节点是否失效，若是，则转步骤15，否则转步骤3；步骤12：抽样备份...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志峰，任羿，杨德真，冯强，孙博，王自力，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：