不考虑维修的间歇性工作逻辑门及其故障树的仿真方法与流程

本发明涉及系统可靠性及故障仿真的
技术领域：
，尤其涉及一种间歇性工作逻辑门的仿真方法，以及在不考虑维修情况下含有该间歇性工作逻辑门的系统故障树模型的仿真方法。
背景技术：
：随着科技水平的高速发展，系统的功能和组成越发庞大复杂，系统的工作环境也越发严酷。很多系统在运行过程中一旦发生故障将会导致巨大的经济损失甚至具有严重的安全隐患，这使得系统在工作过程需要非常可靠。具体地，对于某核电系统来说，该系统具有较强的辐射性、组成单元众多，故障逻辑也较为复杂。该核电系统与其他系统相比，不仅在组成和规模上较为特殊，还存在系统呈间歇性工作的特点。故障树分析方法是工程应用中适用性最强的可靠性建模分析方法。fta(faulttreeanalysis，故障树)模型根据系统由上至下的结构功能对应关系，用与、或、非等逻辑门来表示单元与单元、单元与系统之间的故障因果逻辑关系。对于组成单元较少、单调关联系统的可靠性分析，都很容易建立其故障树模型，进而进行定性、定量分析，但对于单元数量较多，单元间耦合关系复杂的系统，fta模型普遍存在问题是：无法准确描述系统的可靠性逻辑关系，即无法建立系统的fta模型。动态故障树模型是在故障树模型的基础上增加了几个动态逻辑门，扩展了故障树的适用范围，动态故障树模型不仅可以用于建立常见的串联、并联和表决等静态逻辑结构的故障树模型，还可以建立单元故障按照一定顺序发生等动态逻辑结构的故障树模型。常用的动态故障树的逻辑门符号包括顺序相关门、优先与门、功能触发门和备份门，备份门包括冷备门、温备门和热备门。在现有的故障树逻辑门计算中，静态逻辑门如或门、与门以及表决门等可以通过结构函数，计算其输出事件的发生概率，而动态逻辑门如功能触发门、顺序相关门以及备份门需要转化为马尔科夫链计算，其计算方法也存在很大的局限性。对于间歇性工作逻辑门来说，相对于现有的动态故障树逻辑门更加复杂，其中包含了事件的间歇性工作等特点。针对这一问题，本文提出基于蒙特卡罗仿真的方法解决，建立间歇性工作逻辑门的仿真方法，来找出间歇性工作系统的薄弱环节，无论对于改进系统的设计，提高系统的可靠性水平，减轻安全问题发生，减少经济损失，都具有极为重要的意义。技术实现要素：为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种间歇性工作逻辑门仿真方法，还给出了不考虑维修情况下，含有间歇性工作逻辑门的故障树仿真方法，找出间歇性工作系统的薄弱环节，无论对于改进系统的设计，提高系统的可靠性水平，减轻安全问题发生，减少经济损失，都具有极为重要的意义。本发明的技术方案是：这种间歇性工作逻辑门仿真方法，间歇性工作逻辑门包括：输入事件：主单元(e1)和辅助单元(e2)的故障模式；输出事件(y)：是输入事件发生后，通过逻辑门的输出结果；第一时间(t1)：表示主单元(e1)规定的工作时间；第二时间(t2)：表示辅助单元(e2)规定的工作时间；事件状态：包括正常、故障、停机三个状态，分别用0、1和2表示；其中，正常状态是指单元处于正常工作状态，即故障事件不发生且单元处于正常状态；故障状态是指单元发生了故障，不具备工作能力，即故障事件发生；停机状态是指单元工作一定时间之后，由于一些原因使得该单元暂时处于不可用状态，但是单元未发生故障，属于无故障停机状态，即故障事件不发生且单元处于无故障停机状态；该间歇性工作逻辑门模型表示：当主单元输入事件在工作期间发生故障之后或者达到规定的工作时间t1之后，输出事件为故障状态或者停机状态；当辅助单元输入事件为故障状态时，若现有输出事件为故障状态，则输出事件状态不变，若现有输出事件为停机状态，则输出事件变为故障状态；该仿真方法包括以下步骤：(1)获得输入事件的状态及时间阶段：主事件状态和辅助事件的状态；间歇性工作逻辑门的输入事件均有三个状态：正常、故障和停机，分别用0、1和2表示；(2)判断当前工作时间阶段：若为主单元工作时间阶段(t1)跳转步骤(3)；若为辅助单元工作时间阶段(t2)跳转步骤(6)；(3)判断输入事件主单元状态：若为输入事件主单元状态为0，跳转步骤(4)；若为输入事件主单元状态为1，跳转步骤(5)；(4)若为辅助单元状态为2，输出0，跳转步骤(9)；否则，仿真输入错误，跳转步骤(9)；(5)若为辅助单元状态为2，输出1，跳转步骤(9)；否则，仿真输入错误，跳转步骤(9)；(6)判断主单元状态：若为主单元状态2，跳转步骤(7)；若为主单元状态1，跳转步骤(8)；否则，仿真输入错误，跳转步骤(9)；(7)判断辅助单元状态：若为辅助单元状态为0，则输出2，跳转步骤(9)；若为辅助单元状态为1，则输出1，跳转步骤(9)；否则，仿真输入错误，跳转步骤(9)；(8)若为辅助单元状态为0，则输出1，跳转步骤(9)；否则，仿真输入错误，跳转步骤(9)；(9)输出事件的状态，间歇性工作逻辑门仿真结束。本发明以基于蒙特卡罗仿真的方法解决，建立间歇性工作逻辑门的仿真方法，来找出间歇性工作系统的薄弱环节，无论对于改进系统的设计，提高系统的可靠性水平，减轻安全问题发生，减少经济损失，都具有极为重要的意义。还提供了不考虑维修情况下含间歇性工作逻辑门的故障树仿真方法，该仿真方法包括以下步骤：(i)仿真初始化：获得仿真输入信息，变量初始化，进行失效时间抽样，并对全部事件进行排序；(ii)获得最先发生事件及时间；(iii)判断最先发生事件类型：若是故障事件，则转到步骤(iv)；若是主单元切换事件，则转到步骤(v)；若是辅助单元切换事件，则转到步骤(vi)；(iv)故障事件处理：更改因故障事件发生影响的底事件状态，更改仿真中因故障事件发生受影响的事件发生的时间，跳转步骤(vii)；(v)主单元切换事件处理：更改因主单元切换事件影响的底事件状态，更改仿真中因主单元切换事件影响的事件发生的时间，跳转步骤(vii)；(vi)辅助单元切换事件处理：更改因辅助单元切换事件受影响的底事件状态，更改仿真中因辅助单元切换事件影响的事件发生的时间，跳转步骤(vii)；(vii)调用相关逻辑门仿真算法，通扫故障树，输出顶事件状态；(viii)判断仿真时间是否大于设定仿真时间，若否，则本次仿真还未结束，事件队列重新排序，转到步骤(ii)继续仿真；若是，则本次仿真结束，继续步骤(ix)；(ix)判断仿真次数是否大于设定仿真次数，若否，则仿真未结束，仿真次数加1，转到步骤(i)，重新进行失效时间抽样及排序，继续仿真；若是，则继续步骤(x)；(x)统计仿真数据；(xi)结束。附图说明图1是间歇性工作逻辑门的符号。图2是根据本发明的间歇性工作逻辑门仿真方法的流程图。图3是根据本发明的含间歇性工作逻辑门在不考虑维修情况下的故障树仿真方法的流程图。图4是核电系统的功能结构图。图5是核电系统a的故障树逻辑门。图6是冷备份门仿真方法的流程图。图7是核电系统故障时间的频率分布图。图8是核电系统可靠度曲线。具体实施方式间歇性工作逻辑门包括：输入事件：主单元(e1)和辅助单元(e2)的故障模式；输出事件(y)：是输入事件发生后，通过逻辑门的输出结果；第一时间(t1)：表示主单元(e1)规定的工作时间；第二时间(t2)：表示辅助单元(e2)规定的工作时间；事件状态：包括正常、故障、停机三个状态，分别用0、1和2表示；其中，正常状态是指单元处于正常工作状态，即故障事件不发生且单元处于正常状态；故障状态是指单元发生了故障，不具备工作能力，即故障事件发生；停机状态是指单元工作一定时间之后，由于一些原因使得该单元暂时处于不可用状态，但是单元未发生故障，属于无故障停机状态，即故障事件不发生且单元处于无故障停机状态；该间歇性工作逻辑门模型表示：当主单元输入事件在工作期间发生故障之后或者达到规定的工作时间t1之后，输出事件为故障状态或者停机状态；当辅助单元输入事件为故障状态时，若现有输出事件为故障状态，则输出事件状态不变，若现有输出事件为停机状态，则输出事件变为故障状态；如图2所示，这种间歇性工作逻辑门仿真方法包括以下步骤：(1)获得输入事件的状态及时间阶段：主事件状态和辅助事件的状态；间歇性工作逻辑门的输入事件均有三个状态：正常、故障和停机，分别用0、1和2表示；(2)判断当前工作时间阶段：若为主单元工作时间阶段(t1)跳转步骤(3)；若为辅助单元工作时间阶段(t2)跳转步骤(6)；(3)判断输入事件主单元状态：若为输入事件主单元状态为0，跳转步骤(4)；若为输入事件主单元状态为1，跳转步骤(5)；(4)若为辅助单元状态为2，输出0，跳转步骤(9)；否则，仿真输入错误，跳转步骤(9)；(5)若为辅助单元状态为2，输出1，跳转步骤(9)；否则，仿真输入错误，跳转步骤(9)；(6)判断主单元状态：若为主单元状态2，跳转步骤(7)；若为主单元状态1，跳转步骤(8)；否则，仿真输入错误，跳转步骤(9)；(7)判断辅助单元状态：若为辅助单元状态为0，则输出2，跳转步骤(9)；若为辅助单元状态为1，则输出1，跳转步骤(9)；否则，仿真输入错误，跳转步骤(9)；(8)若为辅助单元状态为0，则输出1，跳转步骤(9)；否则，仿真输入错误，跳转步骤(9)；(9)输出事件的状态，间歇性工作逻辑门仿真结束。本发明以基于蒙特卡罗仿真的方法解决，建立间歇性工作逻辑门的仿真方法，来找出间歇性工作系统的薄弱环节，无论对于改进系统的设计，提高系统的可靠性水平，减轻安全问题发生，减少经济损失，都具有极为重要的意义。本发明的间歇性工作系统由主单元和辅助单元组成，两个单元均按照规定的时间间歇性工作，通过扩充输入事件的状态，分别为正常、故障和停机，利用蒙特卡罗抽样方法，结合基于事件的仿真思想，编写了间歇性工作逻辑门事件状态之间逻辑关系的仿真方法。该方法能够找出间歇性工作系统的薄弱环节，无论对于改进系统的设计，提高系统的可靠性水平，减轻安全问题发生，减少经济损失，都具有极为重要的意义。有关含有间歇性工作逻辑特点的系统，以图4中某核电系统加以说明，该核电系统a包括a1子系统和a2子系统两部分。这两个子系统都是间歇性工作子系统，每个子系统中的主单元和辅助单元按照一定时间交替性工作，其中的单元均包含正常、故障和停机三种状态。如图3所示，本发明还提供了不考虑维修情况下含间歇性工作逻辑门的故障树仿真方法，该仿真方法包括以下步骤：(i)仿真初始化：获得仿真输入信息，变量初始化，进行失效时间抽样，并对全部事件进行排序；(ii)获得最先发生事件及时间；(iii)判断最先发生事件类型：若是故障事件，则转到步骤(iv)；若是主单元切换事件，则转到步骤(v)；若是辅助单元切换事件，则转到步骤(vi)；(iv)故障事件处理：更改因故障事件发生影响的底事件状态，更改仿真中因故障事件发生受影响的事件发生的时间，跳转步骤(vii)；(v)主单元切换事件处理：更改因主单元切换事件影响的底事件状态，更改仿真中因主单元切换事件影响的事件发生的时间，跳转步骤(vii)；(vi)辅助单元切换事件处理：更改因辅助单元切换事件受影响的底事件状态，更改仿真中因辅助单元切换事件影响的事件发生的时间，跳转步骤(vii)；(vii)调用相关逻辑门仿真算法，通扫故障树，输出顶事件状态；(viii)判断仿真时间是否大于设定仿真时间，若否，则本次仿真还未结束，事件队列重新排序，转到步骤(ii)继续仿真；若是，则本次仿真结束，继续步骤(ix)；(ix)判断仿真次数是否大于设定仿真次数，若否，则仿真未结束，仿真次数加1，转到步骤(i)，重新进行失效时间抽样及排序，继续仿真；若是，则继续步骤(x)；(x)统计仿真数据；(xi)结束。优选地，所述步骤(i)包括以下分步骤：(i.1)输入仿真所需信息：输入所有底事件的失效分布函数；设定仿真总时间simalltime、设定仿真总次数simallnumber；仿真时间用simtime表示，仿真次数用simnumber表示，事件队列用一个数组myevent()表示；设置主单元的规定运行时间为t1，辅助单元的规定运行时间为t2；设置所有底事件的初始状态，底事件状态表示：0代表正常，1代表故障，2代表停机等待；(i.2)初始仿真次数simnumber赋值为1：simnumber＝1；(i.3)系统仿真时间初始化：仿真时间simtime赋值为0，simtime＝0；主单元切换时间mainswitchtime赋值为0，mainswitchtime＝0；辅助单元切换时间auxiliaryswitchtime赋值为0，auxiliaryswitchtime＝0；单元失效时刻failuretime赋值为0，failuretime＝0；(vi.4)失效时间抽样：利用蒙特卡罗抽样方法，抽取所有输入事件的失效时间；令主单元切换时间等于主单元的规定工作时间，即mainswitchtime＝t1；辅助单元切换时间等于辅助单元的规定工作时间，即auxiliaryswitchtime＝mainswitchtime+t2；将抽取的失效时间和主、辅单元的切换时间放入事件队列myevent()中，并对事件进行排序。优选地，所述步骤(ii)中，从排序后的事件队列myevent中，获得最先发生事件的时间myevent(0)，仿真时间步进到该事件发生的时刻，即simtime＝myevent(0)，将该事件从事件队列中移除。优选地，所述步骤(iv)包括以下分步骤：(iv.1)输入事件状态＝1；(iv.2)判断故障发生单元是否为主单元：若是主单元故障，跳转步骤(ix)；若不是主单元故障，跳转步骤(x)；(iv.3)辅助单元＝0，下次辅助单元切换时间＝仿真时间+规定工作时间t2，并重新放入事件队列进行更新，删除事件队列中主单元切换事件，转到步骤(x)。优选地，所述步骤(v)包括以下分步骤：(v.1)令切换事件的主单元＝2，切换事件的辅助单元＝0；(v.2)切换事件的辅助单元下次切换时刻auxiliaryswitchtime＝仿真时间simtime+规定工作时间t2，并放入事件队列进行更新；(v.3)切换事件的主单元下次失效的时刻＝下次该主单元失效事件发生时间+规定工作时间t2，并放入事件队列进行更新，转到步骤(x)。优选地，所述步骤(vi)包括以下分步骤：(vi.1)判断主单元是否发生故障：若主单元发生故障，切换事件的辅助单元＝2，切换事件的主单元＝1，将该事件的辅助单元下次失效的时刻从事件队列中删除，更新仿真队列，跳转步骤(x)；若主单元未发生故障，切换事件的辅助单元＝2，切换事件的主单元＝0，转到步骤(vi.2)；(vi.2)切换事件的主单元下次切换时刻＝仿真时间+规定工作时间t1，并放入事件队列进行更新，转到步骤(vi.3)；(vi.3)切换事件的辅助单元下次失效的时刻＝下次该辅助单元失效事件发生时间+规定工作时间t1，并放入事件队列进行更新，转到步骤(vii)。优选地，所述步骤(vii)包括以下分步骤：(vii.1)根据建立的故障树模型，将故障事件作为子节点，搜寻连接的故障树逻辑门，并调用与门、或门、间歇性工作逻辑门，获得输出事件的状态；调用间歇性工作逻辑门的算法如图2所示；(vii.2)判断输出事件的状态是否为正常状态：若是，则转到步骤(vii.4)；若否，则输出事件为故障状态，转到步骤(vii.3)仿真；(vii.3)判断步骤(vii.2)中得到的输出事件是否为顶事件：若是，则不再进行故障树搜寻，转到步骤(vii.4)；若否，则转到步骤(vii.1)仿真；(vii.4)判断故障树模型其他子树中是否存在该故障事件：若是，则转到步骤(vii.1)进行故障树搜寻；若否，转到步骤(viii)。对于核电系统a来说，核电系统a包括a1和a2两个完全一致的子系统，a2作为a1的冷备份。以a1为例说明其组成，a2组成与a1一致。a1包括第一主单元a11和第一辅助单元a12两个组成部分，a1的工作模式为a11工作200h，停止工作，切换到a12工作150h。对于a1而言，a11在200h内发生故障或者工作时间达到200h后，a11切换到a12工作，此时a1状态为故障(前者)或者停机(后者)，第一辅助单元a12无故障工作时间150h之后，a1恢复正常。核电系统a的功能结构图如图4所示：根据间歇性工作逻辑门以及现有的动态故障树模型，建立核电系统a的故障树模型。故障树模型中，a表示核电系统a的故障模式，a1表示第一子系统a1的故障模式，a11表示第一主单元a11的故障模式，a12表示第一辅助单元a12的故障模式；a2表示第二子系统a2的故障模式，a21表示第二主单元a21的故障模式，a22表示第二辅助单元a22的故障模式。其故障树模型如图5所示。在上述逻辑门中，存在两个动态逻辑门，冷备份门和间歇性工作逻辑门，其中，含有间歇性工作逻辑门的故障树模型的仿真方法如上所述，冷备份门的仿真方法需要重新建立。图6冷备份门的仿真方法步骤如下：步骤1：获取输入事件的状态，其中，0表示正常状态，1表示故障状态，2表示停机状态，11表示备份状态，事件的状态用eventstate表示。步骤2：判断工作件是否处于正常状态？若是，则输出事件处于正常状态，转到步骤4；若否，工作件则由正常状态变为了无法正常工作的状态，转到步骤3继续仿真。步骤3：判断备份件的状态是否处于正常状态？若是，则启动备份件，备份件由正常停机状态变为正常状态，备份件的状态值：eventstate(备份件)＝0，转到步骤4；若否，备份件的状态为故障状态，即，eventstate(备份件)＝1，输出事件的状态为故障状态，即，eventstate(输出事件)＝1。步骤4：输出事件的状态为在正常状态，故障不会再传递下去，输出事件的状态值eventstate(输出事件)＝0。步骤5：得到输出事件的状态值eventstate，退出冷备份门。已知核电系统a中组成单元a11、a12、a21和a22的失效时间均服从指数分布，其对应的仿真输入数据如表1所示。表1故障率(/h)主单元运行时间(h)辅助单元运行时间(h)a110.005200\a120.005\150a210.005200\a220.005\150编写核电系统a的仿真程序，仿真输入为：每个单元的相关参数以及仿真次数3000次、仿真时间8760h。仿真计算核电系统的可靠性指标。统计核电系统的使用可用度在总仿真次数3000次下，核电系统故障时间的频率分布图如图7、核电系统可靠度曲线如图8所示。通过仿真程序计算核电系统的可靠度随系统运行时间的结果如表2所示。表2系统运行时间/h50100150200250300350400可靠度仿真结果0.970.910.820.740.590.460.360.29以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。当前第1页12