一种基于Petri网的电路模块故障机理相关关系的可靠性建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明设计产品可靠性建模领域，具体地涉及一种基于Petri网的电路模块故障 机理相关关系的可靠性建模方法。
【背景技术】
[0002] 建立系统模型的过程，又称模型化。建模是研究系统的重要手段和前提。凡是用 模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。因描述的关系各异，所以实现这 一过程的手段和方法也是多种多样的。可以通过对系统本身运动规律的分析，根据事物的 机理来建模；也可以通过对系统的实验或统计数据的处理，并根据关于系统的已有的知识 和经验来建模。还可以同时使用几种方法。
[0003] 目前，在航空、航天、航海以及核动力设备系统等领域的可靠性建模研究中，故障 相关已经得到了广泛的重视。例如，对于一个由两个子模块并联组成的系统，当其中一个子 模块故障时，另一个子模块受到的各种应力就会发生改变。故障的相关性会增加节点故障 的概率，从而降低整个系统的可靠度。因此，对于大多数复杂系统来说，在考虑故障相关情 况下的可靠性建模方法会更加符合实际情况。
[0004] 以往大量的研究中，许多学者提出了对于故障模式相关的建模方法。故障模式相 关主要包括共因故障、共模故障提出的故障传播等。其中，对于共因故障方面的研究颇为广 泛。考虑共因失效的情况更能使系统的可靠性分析结果接近实际情况。例如，Jose和Coit 提出了三种针对具有共因失效情况的冗余系统的可靠性优化模型，并且结果证明，在考虑 共因失效的情况下，不同的系统要求不同的优化设计方案。但是，这种考虑故障模式相关的 建模方法建立在传统的统计学基础之上，对于统计数据准确性的要求十分苛刻，而得到充 足的统计数据在实际中也是十分困难的，因此，这种建模方法在此形成了困境。
[0005] 故障过程或故障机理是导致元器件或者系统故障最根本的原因。在可靠性研究领 域中，为了能够从本质上探明引发电子产品故障的原因，以及这些原因之间的关系，对于故 障机理与故障机理相关关系的研究应运而生。目前，基于故障物理的系统可靠性研究非常 广泛，这种方法为故障机理提供了更好的理论基础。同时，作为一种有效的方法，它可以替 代由于静态故障数据不足导致诸多问题的传统统计学方法，从而为可靠性分析开辟了另一 条研究思路。
[0006] 以下对上文提及的几个名词概念作进一步的说明：
[0007] 故障模式是指零部件、子系统或整个系统不能实现某种功能的表现方式，如电路 的开路、短路等。
[0008] 故障机理是引发故障模式的物理、电学、化学、力学或其他过程。故障机理从微观 方面阐明故障的本质、规律和原因，可以追溯到原子、分子尺度和结构上的变化。
[0009] 故障机理相关关系是指引发系统各组成部分的故障机理并不是独立的。它们之间 会相互影响，存在耦合关系。
[0010] 其中，故障机理相关关系是故障相关的本质体现。五种基本的故障机理相关关系 包括竞争关系、触发关系、促进关系、抑制关系和损伤累积关系。其中，竞争关系是指在η个 相互独立的故障机理中，每一个机理都可以独自导致系统或子模块的故障，而相互之间并 不存在明显的相互作用，具有同时性。触发关系是指某一种或几种相互独立的故障机理会 由于某一个条件成立而被触发关系，开始导致系统或子模块故障，该条件可以是某一元器 件故障或者人为因素。促进关系和抑制关系是一对互为矛盾的故障机理相关关系，其中，促 进关系是指某一种故障机理的作用会加速另一种故障机理对相应模块的作用，例如一个包 含有1C卡以及其他元器件的电子模块，高功率下1C卡的热量散失会加速邻近电子元器件 的失效。而抑制关系刚好相反，即某一种故障机理的作用会减缓另一种故障机理对相应模 块的作用，例如在上个例子中，在1C卡邻近部位不是电子元器件，而是橡胶制品，那么1C卡 的热量散失反而保护了橡胶制品，因为橡胶制品在低温环境下易变脆损坏。损伤累积关系 是指某一故障机理并不能一次性引起系统或子模块的故障，但是，这种故障机理每次作用 于系统或子模块时，会产生某种不至于使其失效的损伤，并且在不可修复系统中，这种损伤 会进行累积，最终累积过损伤极限值时，系统或子模块会发生故障。根据损伤类型，损伤累 积关系又可以分为破坏性累积和参数联合累积。
[0011]目前，对于故障机理相关关系的建模方法主要是基于故障树的理论。由于考虑的 是引起故障的机理性过程，这种建模方法可以避开统计学的思路，解决统计数据不足带来 的高准确性的可靠性分析难以实现的问题。但是，这种方法只适用于系统静态性的建模，无 法体现系统的动态性能，使得可靠性分析结果在一定程度上依然存在偏差。由于故障机理 相关关系错综复杂，并且具有很强的动态特性，利用传统的适合于静态分析的故障树方法 对其进行解耦显得力不从心。因此，故障机理相关关系的分析方法需要另一种更加有效的 思路与工具。
[0012] Petri网是卡尔·A·佩特里于1962年首次提出来的。作为描述系统元素的异步 并发操作的工作模型，Petri网在计算机等许多领域都获得了广泛的应用。Petri网从过 程的角度出发为复杂系统的描述与分析设计提供的一种有效的建模工具，能自然的描述并 发、冲突、同步、资源争用等系统特性，并带有执行控制机制，同时还具备形式化步骤及数学 图论相支持的理论严密性。经典的Petri网是简单的过程模型，由两种节点：库所和变迀， 信息传递弧或禁止弧等元素组成的。目前，尚未有研究者提出利用Petri网对电子产品尤 其是电路模块的故障机理相关关系进行建模，从而改善电路模块系统动态特性，使其得以 表征与分析的方法。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的在于针对现有电子产品尤其是电路模块的故障机理相关关系建模 中无法体现系统动态特性的不足，提供一种基于Petri网的电路模块故障机理相关关系的 可靠性建模方法。
[0014] 具体地，本发明提供一种基于Petri网的故障机理相关关系建模的方法，步骤一： 将电路模块划分成各个子模块，确定每个子模块的故障机理和故障机理相关关系；
[0015] 步骤二：根据故障机理和故障机理相关关系建立多个与每个子模块对应的故障机 理相关关系的局部模型；
[0016] 步骤三：根据子模块之间的电路逻辑关系，将所述多个故障机理相关关系的局部 模型整合成故障机理相关关系的整体模型；以及
[0017] 步骤四：分别对故障机理相关关系的局部模型和故障机理相关关系的整体模型进 行可靠性模拟分析，形成子模块可靠性曲线和电路模块可靠性曲线。
[0018] 优选地，步骤一中还包括以下步骤：
[0019]a、根据每个子模块的应力因素、结构因素或者材料因素，确定出每个子模块的故 障机理；
[0020] b、根据各个故障机理确定出每个子模块的故障机理相关关系。
[0021] 优选地，每个子模块的故障机理相关关系包括竞争关系、触发关系、促进关系、抑 制关系和/或损伤累积关系，所述触发关系进一步包括第一类触发关系以及第二类触发关 系。
[0022] 可优选的是，步骤三中包括以下步骤：
[0023]a、分析每个子模块的电路逻辑关系，并对电路结构进行Petri网建模得到电路结 构Petri网模型；
[0024]b、在电路模块对应的电路结构Petri网模型中，将步骤二中得到的表示各子模块 的故障机理相关关系的局部模型代替电路结构Petri网模型中对应的库所，获取电路模块 基于Petri网的故障机理相关关系的建模结果，得到故障机理相关关系的整体模型。
[0025] 优选地，步骤四中可靠性模拟分析包括以下步骤：
[0026]a、根据各个故障机理对应的电路模块的寿命分布及参数，生成各个分布形式的随 机数函数，得到对应的随机数组；
[0027]b、根据电路模块中各子模块的故障机理相关关系以及电路模块的电路结构逻辑 关系，利用Matlab描述故障机理相关关系；以及
[0028]c、绘制电路模块的可靠性曲线或者每个子模块的可靠性曲线图。
[0029] 优选地，所述电路模块包括集成电路、电容器或者连接器。
[0030] 优选地，利用Matlab描述故障机理相关关系作用下子模块寿命的表达式分别为：
[0031] 竞争关系的表达式为=mink,i2,. ..iu}，其中ti为第i(l彡i彡η)个故障 机理单独作