專利名稱：一種適用于動態(tài)系統模型的隨機因素注入方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種適用于動態(tài)系統模型的隨機因素(主要指具有動態(tài)特性的隨機 參數和故障)注入方法，它是系統可靠性仿真分析領域的一種隨機因素實現方法，致力于 解決系統仿真模型中隨機因素動態(tài)特性的合理描述及自動注入問題，屬于可靠性工程技術 領域。
背景技術：
現代質量觀中，可靠性逐漸成為產品的一個重要屬性?，F代產品越來越復雜，軟 硬件復雜程度日益增加，使得影響產品可靠性的因素越來越多。動態(tài)系統的可靠性受噪 聲、干擾等短周期因素以及故障、磨損、結構參數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性的動態(tài)過程。產品設計過程中廣泛采用各種計算機輔助設計 (Computer AidedDesign, CAD)軟件，提高了產品設計效率，縮短了產品開發(fā)周期。通過建 立的產品CAD模型，在模型中注入具有動態(tài)特性的隨機因素，并觀察和記錄注入的隨機因 素對系統的影響，是評測產品可靠性的重要途徑。因此，如何借助產品CAD軟件工具，對系 統模型注入具有動態(tài)特性的隨機因素，進而評價產品的可靠性，是可靠性工程專業(yè)迫切需 要解決的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于動態(tài)系統模型的隨機因素注入方法，它基于 CAD等軟件工具，在仿真過程中實現隨機因素的動態(tài)特性和自動注入，模擬系統中存在的各 種隨機參數和故障的發(fā)生過程，以滿足產品可靠性評測的需要。本發(fā)明的技術方案本發(fā)明基于CAD等軟件工具，通過建立底層部件的行為模型，自動注入具有動態(tài) 特性的隨機因素，所述的隨機因素主要是指具有動態(tài)特性的隨機參數和故障。本發(fā)明一種適用于動態(tài)系統模型的隨機因素注入方法，該方法具體步驟如下步驟1 目標對象確定研究模型對象層次，對系統進行層次分解，形成相對獨立 的子系統，并確定其中需要進行隨機因素注入的系統作為目標對象；步驟2:隨機因素收集對已經確定的目標對象，收集影響其可靠性的各種隨機參 數和故障類型，并加以匯總；步驟3 隨機因素分析與建模對匯總的隨機因素進行整理分析，并建立描述隨機 因素動態(tài)特性的數學模型，將其變化規(guī)律固化。步驟4 行為模型建立針對目標對象，通過外購商用軟件(MATLAB和AMESim)，構 建目標對象行為模型，將隨機因素的數學模型模塊化，以在仿真過程中實現隨機因素的自 動注入。步驟5 行為模型封裝對建立的目標對象行為仿真模型，利用商用軟件(MATLAB 和AMESim)自帶的圖形化用戶界面(Graphic User hterface，⑶I)進行封裝，并設置相關參數，方便用戶使用。其中，在步驟1中所述的模型對象是指已經建立的對象CAD軟件模型，MATLAB中 對應的是軟件工具生成的“*. mdl，，類型文件，AMESim中對應的是軟件工具生成的“*. ame" 類型文件。步驟1中所述的獨立的子系統是指劃分的模塊在功能和結構上盡量獨立，能夠 方便描述或模塊化，這樣具有較好的可移植性和維護性。步驟1中的目標對象要求層次越 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。對于結構復雜 的子系統，可進一步細化，將其中組件模塊化。其中，在步驟2中所述的隨機因素包括系統運行過程中出現的具有動態(tài)特性的隨 機參數和故障兩類。步驟2中所述的隨機因素收集的主要途徑是對于新研產品，主要查找 國內外相似產品的歷史數據、資料，統計匯總其在不同情況、條件下存在的所有問題；對于 改進產品，主要查找、總結該產品歷史數據，統計在不同工作情況下存在的所有問題。其中，在步驟3中所述的隨機因素分析是指從匯總的資料中找出對每一個目標對 象有影響的全部可能隨機因素，并明確隨機因素有效的判別準則，剔除無效隨機因素。在 步驟三中所述的描述隨機因素動態(tài)特性的數學模型，根據隨機因素類型的不同具有不同描 述。對于參數變化規(guī)律，可以用隨機過程進行描述；對于故障變化規(guī)律，可以用馬爾可夫過 程進行描述。其中，在步驟4中所述的行為模型，根據隨機因素類型不同構造也不同對于故障，行為模型內部有三個主要組成部分，原理框圖如

圖1所示。三個組成部 分分別為正常功能單元，用以描述目標對象在正常工作條件下的物理特性；故障特性單 元，用以描述目標對象處于指定故障模式狀態(tài)時的物理特性；切換單元，用以描述故障的動 態(tài)特性。在單次仿真任務過程中，切換單元按照目標對象失效律隨機抽取目標對象的壽命 時間，然后在每個步長提取當前仿真時間，動態(tài)判斷是否發(fā)生故障。如果在仿真任務中發(fā)生 故障，則按照每個故障模式的轉移概率，隨機選擇發(fā)生的故障模式并注入仿真模型中，以模 擬故障的動態(tài)發(fā)生過程。假設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)轉移到某一種故障模式，則每種故障模式轉移概率由下式獲得
權利要求
1.一種適用于動態(tài)系統模型的隨機因素注入方法，其特征在于，該方法依照下述5個 步驟進行步驟1 目標對象確定研究模型對象層次，對系統進行層次分解，形成相對獨立的子 系統，并確定其中需要進行隨機因素注入的系統作為目標對象；步驟2 隨機因素收集對已經確定的目標對象，收集影響其可靠性的各種隨機參數和 故障類型，并加以匯總；步驟3 隨機因素分析與建模對匯總的隨機因素進行整理分析，并建立描述隨機因素 動態(tài)特性的數學模型，將其變化規(guī)律固化；步驟4 行為模型建立針對目標對象，通過外購商用軟件MATLAB和AMESim，構建目 標對象行為模型，將隨機因素的數學模型模塊化，以在仿真過程中實現隨機因素的自動注 入；步驟5 行為模型封裝對建立的目標對象行為仿真模型，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進行封裝，并設置相關參 數，方便用戶使用。
2.根據權利要求1所述的一種適用于動態(tài)系統模型的隨機因素注入方法，其特征在 于在步驟1中所述的模型對象是指已經建立的對象CAD軟件模型，MATLAB中對應的是軟 件工具生成的“*. mdl ”類型文件，AMESim中對應的是軟件工具生成的“*. ame"類型文件； 步驟1中所述的獨立的子系統是指劃分的模塊在功能和結構上盡量獨立，能夠方便描述、 模塊化，這樣具有較好的可移植性和維護性；步驟1中的目標對象要求層次越低越好，層次 越低，建模越容易；對于結構復雜的子系統，進一步細化，將其中組件模塊化。
3.根據權利要求1所述的一種適用于動態(tài)系統模型的隨機因素注入方法，其特征在 于在步驟2中所述的隨機因素包括系統運行過程中出現的具有動態(tài)特性的隨機參數和故 障兩類；步驟2中所述的隨機因素收集的途徑是對于新研產品，查找國內外相似產品的歷 史數據、資料，統計匯總其在不同情況、條件下存在的所有問題；對于改進產品，查找、總結 該產品歷史數據，統計在不同工作情況下存在的所有問題。
4.根據權利要求1所述的一種適用于動態(tài)系統模型的隨機因素注入方法，其特征在 于在步驟3中所述的隨機因素分析是指從匯總的資料中找出對每一個目標對象有影響的 全部可能隨機因素，并明確隨機因素有效的判別準則，剔除無效隨機因素；在步驟3中所述 的描述隨機因素動態(tài)特性的數學模型，根據隨機因素類型的不同具有不同描述；對于參數 變化規(guī)律，用隨機過程進行描述；對于故障變化規(guī)律，用馬爾可夫過程進行描述。
5.根據權利要求1所述的一種適用于動態(tài)系統模型的隨機因素注入方法，其特征在 于在步驟4中所述的行為模型，根據隨機因素類型不同構造也不同對于故障，行為模型內部有三個組成部分，分別為正常功能單元，用以描述目標對象 在正常工作條件下的物理特性；故障特性單元，用以描述目標對象處于指定故障模式狀態(tài) 時的物理特性；切換單元，用以描述故障的動態(tài)特性；在單次仿真任務過程中，切換單元按 照目標對象失效律隨機抽取目標對象的壽命時間，然后在每個步長提取當前仿真時間，動 態(tài)判斷是否發(fā)生故障；如果在仿真任務中發(fā)生故障，則按照每個故障模式的轉移概率，隨機 選擇發(fā)生的故障模式并注入仿真模型中，以模擬故障的動態(tài)發(fā)生過程；設每種故障模式的 模式失效率分別為fl、f2. . . fn，且狀態(tài)只能由正常狀態(tài)轉移到某一種故障模式，則每種故障模式轉移概率由下式獲得 'Λ=/1/(/1 + /2 + ··· + >) 4=/2/(/1 + /2 + ··· + >)<λη= fit! (fl + f2 + - +fit)設每一種故障模式對應一個事件，則每一事件的相對失效概率分別為λ2，...， λ η;設想取一條長度為1直線，并將其分成η個區(qū)間，每個區(qū)間長度分別為λ 2，...， λ η;抽取0-1之間隨機數η，向該長度為1的直線落點，當其落入區(qū)間λ廠入㈣時視作第 j種故障模式發(fā)生；對于隨機參數，行為模型內部有兩個組成部分，分別為正常功能單元， 用以描述產品在正常輸出的特性；動態(tài)特性單元，用以描述隨機參數動態(tài)變化的特性；在 仿真過程中的每個步長，動態(tài)特性單元根據步驟3中得到的描述隨機參數動態(tài)特性的數學 模型，隨機抽取符合該規(guī)律的參數值，并注入到仿真模型中，以模擬隨機參數的發(fā)生過程。
6.根據權利要求1所述的一種適用于動態(tài)系統模型的隨機因素注入方法，其特征在 于在步驟5中所述的設置相關參數是指設置表征系統正常工作的性能參數和表征系統具 有的隨機參數和故障的特性參數。
全文摘要
一種使用于動態(tài)系統模型的隨機因素注入方法，該方法依照下述5個步驟進行1，對模型進行層次分解，確定隨機因素注入目標對象；2，收集影響目標對象特性的隨機因素；3，對收集到的隨機因素進行分析，確定典型隨機因素；4，建立隨機因素行為模型；5，對行為模型進行封裝，便于人機交互使用。本發(fā)明為可靠性仿真過程中隨機因素注入提供了一種解決方案，通過模塊化方式進行自動選擇并隨機注入，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領域里具有較好的實用價值和廣闊的應用前景。
文檔編號G06F17/50GK102136017SQ201110063949
公開日2011年7月27日 申請日期2011年3月16日 優(yōu)先權日2011年3月16日
發(fā)明者任羿, 馮強, 姜青岳, 孫博, 曾聲奎, 郭健彬, 馬紀明 申請人:北京航空航天大學