[发明专利]一种基于Petri网的多阶段任务系统故障行为建模方法

说明书

本发明提供一种基于Petri网的多阶段任务系统故障行为建模方法，包括以下步骤：步骤一：分析并明确多阶段任务系统需完成的各个任务阶段；步骤二：确定系统在各任务阶段中的系统配置、系统功能及故障判据，分别建立各任务阶段的系统可靠性模型；步骤三：根据各阶段应力和环境条件，对系统及所有元器件进行FMMEA分析，确定系统各元器件在各阶段的主要故障机理及其相关关系；步骤四：基于各任务阶段系统配置建立系统单一任务阶段的Petri网模型；步骤五：针对系统各元器件，建立多阶段任务下基于故障机理相关的多阶段Petri网模型；步骤六：综合考量步骤四和步骤五得到的Petri网模型并进行仿真求解，并依据需求得到各元器件或者系统的可靠度曲线。

技术领域

本发明属于产品可靠性建模领域，具体地涉及一种基于Petri网的多阶段任务系统故障行为建模方法。

背景技术

多阶段任务系统是指完成由多个不重叠的、连续的阶段所组成的任务的系统，系统在每个阶段均需要完成一项特定任务，每个阶段任务的成功是整个任务成功的必备条件。很多航空、航天、交通领域的设备或者系统的任务过程都是多阶段的，例如，飞机在执行飞行任务时，可以将其划分为地面慢车、起飞、爬升、巡航、降落和着陆等不同阶段。那么，执行飞行任务的飞机就属于一种多阶段任务系统。相较于单阶段任务系统，多阶段任务系统有着许多特殊的性质，其中尤其特殊的是系统或其子系统会在不同阶段经受不同的应力和环境条件。再加之，系统在任务的各个阶段会有不同的系统配置、失效判据、行为持续时间等，这就使得系统的各元器件在不同阶段有不同的失效率。而系统在某阶段的初始状态又依赖于任务上一阶段结束时的状态，又存在跨阶段的部件依赖性，功能相关性。这些都使得多阶段任务系统的可靠性分析比单阶段任务系统更加复杂，更加需要采用有效的分析手段。

传统的多阶段任务系统的可靠性分析和建模方法主要分为三种，组合建模法，状态空间建模法。组合建模法首先通过故障树或可靠性逻辑框图对可靠性逻辑关系进行表述，其次利用逻辑代数的方法对多阶段任务系统的可靠度或故障率进行求解计算，从本质上讲其仍然是一种静态的逻辑代数分析方法。状态空间建模法，则对系统的动态特性有着优良的描述能力，如最常用的连续时间马尔可夫链(CTMC)方法。传统的状态空间建模法是先获取由系统中各个元器件的状态所构成系统的状态空间，再分别对每个阶段的系统状态空间的变化进行建模来描述，最后再对各阶段的模型结果进行拼接从而得到系统的模型结果。通过上述对传统的多阶段任务系统的可靠性建模和分析方法的研究，可以发现，为分析系统可靠性，上述方法考虑了任务各个阶段的环境条件的不同，但却都是以各阶段之间统计独立为基本假设，并单独收集各个阶段的故障数据来求解模型。在统计数据很少的情况下，上述传统方法无法进行预测和分析，而且还忽略了各阶段之间的部件依赖性，功能相关性。然而，为了更准确的分析多阶段任务系统的可靠性，这些相关性又不能不被考虑进模型的建立过程之中。如何才能既减轻建模分析方法对统计数据的依赖，又能很好地兼容跨阶段相关性，越来越成为研究的热点问题。

故障行为是指组成系统的各元器件的诸多故障机理演变成系统故障的过程，是系统故障的外在表现形式。故障行为建模方法中，首先以故障物理的方法来得到描述系统各元器件在每个阶段内经受不同应力和环境条件的故障机理模型，这可以很大程度上减轻对统计数据的依赖，并能从导致故障的根本原因，故障机理，来认识和分析系统的故障；再以故障机理相关关系来从故障机理的层面来表达系统内的部件相关性和功能相关性，同时，也能发现其可以很好的描述多阶段任务系统的跨阶段部件依赖性和功能相关性的特点。这一方法既将分析层次更加深化，将研究的触角伸向故障物理的层次，又很好的解决了传统方法对统计数据的过度依赖和跨阶段的相关性的忽略。