高可靠實(shí)時(shí)多階段系統(tǒng)可靠性分析.pdf

1、隨著微電子技術(shù)、信息技術(shù)、制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)的各種關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域（如航天運(yùn)載、核能控制、武器裝備、空間探測(cè)、電信交換、交通控制、醫(yī)療器械等）中逐漸涌現(xiàn)出一類(lèi)復(fù)雜系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)有很高的實(shí)時(shí)性要求和可靠性要求；系統(tǒng)運(yùn)行具有明顯的階段性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)普遍采用分布式冗余機(jī)制從而具有動(dòng)態(tài)可變的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本文把這類(lèi)系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為高可靠實(shí)時(shí)多階段系統(tǒng)（DEpendable Real-time Multiple-phased Systems,DERMS

2、)。
　　在開(kāi)發(fā)DERMS過(guò)程中，一個(gè)重要的步驟就是分析給定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足預(yù)定的可靠性需求，即DERMS可靠性分析。針對(duì)DERMS可靠性分析國(guó)內(nèi)外研究人員提出了兩種方法：面向靜態(tài)DERMS的故障樹(shù)分析方法和面向動(dòng)態(tài)DERMS的狀態(tài)空間分析方法。通過(guò)對(duì)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)已有的研究并不成熟、系統(tǒng)，突出表現(xiàn)在：1）已有的基于BDD的故障樹(shù)分析方法，系統(tǒng)BDD生成效率低；2）已有的基于隨機(jī)過(guò)程的狀態(tài)空間分析方法，只考慮了簡(jiǎn)單、小規(guī)模

3、動(dòng)態(tài)DERMS并沒(méi)有考慮具有復(fù)雜行為的大規(guī)模動(dòng)態(tài)DERMS。針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題本文進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。
　　針對(duì)靜態(tài)DERMS組合系統(tǒng)故障樹(shù)的BDD變量排序問(wèn)題，論文給出了PDO排序策略、組合排序策略、一般排序策略和改進(jìn)一般排序策略四類(lèi)策略，并對(duì)各類(lèi)策略的性能進(jìn)行了細(xì)致的分析和比較，最后基于分支定界搜索給出了一個(gè)的策略選擇方法。基于16個(gè)測(cè)試樣本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相關(guān)研究中普遍采用的后向PDO排序方法只能夠以7/16的概率成為10種備

4、選策略中的最優(yōu)策略，并且沒(méi)有一個(gè)排序方法能夠以大于5/8的概率成為10種備選策略中的最優(yōu)策略，所以本文給出的分支定界策略選擇方法是一個(gè)很實(shí)用的策略選擇方法。
　　針對(duì)靜態(tài)DERMS組合系統(tǒng)故障樹(shù)的BDD生成算法問(wèn)題，論文從Zhang提出的PDO操作和PDOCombine算法入手，通過(guò)從擴(kuò)大變量排序使用范圍和提升運(yùn)行性能這兩個(gè)角度不斷的對(duì)原始的PDOCombine算法進(jìn)行改進(jìn)從而獲得了變量排序使用范圍更廣、性能更好的QuickPDO

5、Combine算法。如對(duì)于一個(gè)較復(fù)雜的靜態(tài)DERMS實(shí)例分析表明，雖然最終生成的系統(tǒng)BDD為155個(gè)節(jié)點(diǎn)但已有算法耗時(shí)近2分鐘并且要求能夠存儲(chǔ)具有358,575個(gè)節(jié)點(diǎn)的中間BDD，而本文給出的算法耗時(shí)只需1.2秒并且只要求155個(gè)BDD節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間。
　　針對(duì)動(dòng)態(tài)DERMS的階段可靠性分析問(wèn)題，論文重點(diǎn)給出了共享維修子系統(tǒng)、獨(dú)立維修子系統(tǒng)和不可維修冗余子系統(tǒng)的可靠性分析方法。已有研究對(duì)于共享維修子系統(tǒng)的可靠性分析是基于MRGP過(guò)

6、程的分析，本文在已有研究基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了核心矩陣的推導(dǎo)方法和計(jì)算方法。已有研究對(duì)于獨(dú)立維修子系統(tǒng)的可靠性分析都是假設(shè)維修活動(dòng)是指數(shù)分布的Markov過(guò)程分析，針對(duì)實(shí)際維修活動(dòng)通常是確定的或者一般性分布情況，本文推導(dǎo)了相應(yīng)的組合分析公式。公式的組合性能夠有效緩解了狀態(tài)空間分析中存在的狀態(tài)爆炸問(wèn)題。
　　針對(duì)動(dòng)態(tài)DERMS的系統(tǒng)可靠性分析問(wèn)題。論文引入了階段粘合劑—分支矩陣，并在階段轉(zhuǎn)換無(wú)記憶假設(shè)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了系統(tǒng)任務(wù)可靠度的通用計(jì)算公式

7、，提出了兩種系統(tǒng)任務(wù)可靠度求解方法：解析式求解法和數(shù)值卷積積分求解法。通過(guò)案例分析表明，所給出的任務(wù)可靠度分析方法，在定制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以用于驗(yàn)證和評(píng)估設(shè)計(jì)人員給出的設(shè)計(jì)；在通用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以用于指導(dǎo)任務(wù)設(shè)計(jì)和選擇。
　　綜上所述，本文圍繞DERMS可靠性分析問(wèn)題，針對(duì)已有基于BDD的故障樹(shù)分析方法和基于隨機(jī)過(guò)程的狀態(tài)空間分析方法的不足之處進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了新的高效算法和統(tǒng)一分析框架，使得這兩種方法能夠被有效的應(yīng)用到實(shí)際