一种对环备份电子产品进行可靠性建模分析的方法
【专利摘要】本发明公开了一种对环备份电子产品进行可靠性建模分析的方法，基于蒙特卡罗模拟法实现环备份结构可靠性建模和分析计算，采用蒙特卡罗仿真方法来建模，其建模步骤为：(1)建立一个与求解有关的概率仿真模型，使求解为所构建模型的概率分布或数学期望；(2)对模型进行随机抽样观察，即产生随机变量；(3)进行比较求解。本发明解决了环备份结构电子产品可靠性建模的难题，满足了对复杂的环备份结构的逻辑关系描述和可靠性分析要求，为提高产品的可靠性分析、设计水平提供了理论基础。
【专利说明】
-种对环备份电子产品进行可靠性建模分析的方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种对环备份电子产品进行可靠性建模分析的方法，属于电子产品可 靠性设计技术领域。
【背景技术】
[0002] 本发明是为环备份结构电子产品的可靠性建模分析而设计的，基于蒙特卡罗方法 实现环备份电子产品可靠性建模及分析工作。环备份结构是指类似环状的多备份组成。由 于它的复杂冗余结构，采用一些常见的可靠性建模方法(例如可靠性框图、故障树方法、动 态故障树、马尔可夫过程等），无法对其进行建模，无法描述逻辑关系，进而无法对其分析计 算可靠性指标。本发明应用蒙特卡罗方法，对环备份结构进行可靠性建模及分析，并提出了 相应的算法公式，提高了环备份结构电子产品的可靠性分析水平。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于将蒙特卡罗方法应用于电子产品环备份结构，进行可靠性建模 和分析计算;完整的描述了环备份结构的逻辑关系，并解决了环备份结构的可靠性建模分 析的难题，为提高产品的可靠性设计水平提供了理论基础。
[0004] 本发明采取的技术方案是：一种对环备份电子产品进行可靠性建模分析的方法， 其基于蒙特卡罗模拟法实现环备份结构可靠性建模和分析计算，采用蒙特卡罗仿真方法来 建模，其建模步骤如下：
[0005] (1)建立一个与求解有关的概率仿真模型，使求解为所构建模型的概率分布或数 学期望；
[0006] (2)对模型进行随机抽样观察，即产生随机变量；
[0007] (3)进行比较求解。
[000引其中使用蒙特卡罗方法建立的仿真模型如下：
[0009] ①系统模型
[0010] 系统由16个基本单元组成，用S表示，贝贿S = {zi,Z2，'''Zl6};
[001*1] Z康示每个单元，它们的失效分布函数为Fi(t) Q = 1,2,-16)，服从A= 1(TV小时 的指数分布；
[0012] ②仿真逻辑关系
[0013] 对于简单的非16保12冷备份可靠性系统，可直接采用可靠性框图作为系统蒙特卡 罗仿真的逻辑关系;对于16保12冷备份运样的复杂系统，采用故障树表示蒙特卡罗仿真的 逻辑关系；引入时间变量，设该系统中，故障树的结构函数用4 [x(t)]表示;每个单元Zi的 状态变量用bi(t)表示，则可表示为公式巧-1)
[0014] x(t) = [bi(t),b2(t),...bi6(t)]巧-1)
[0015] 其中Zi的状态变量
[0016]
(5-2)
[0017] 用d) [t]表示顶事件在t时刻的状态变量，则有
[001 引
巧-3)
[0019] 且(Ht]=(l)[x(t)] (5-4)
[0020] 故障树的顶事件为系统S失效，而底事件为下列四种状况：
[0021] ① A1、A2、B1 的 Ebi>2;
[0022] ②A3~A7、B2、B3的 Ebi>3;
[0023] ③A8~A12、B3、B4的 Ebi>3;
[0024] ④A3~A12、B2~B4的 Ebi>4。
[0025] 根据所述仿真模型计算所需可靠性指标的方法为：
[00%] ①随机产生一个服从给定指数分布的时间t，比较t和131400( 15年=131400小时） 的大小关系，如果t〉131400，则在131400小时内未发生故障，状态变量为0;如果t<131400， 则在131400小时内发生故障，状态变量为1;对每一个放大器均按运种方法产生随机数，并 得到其状态变量，共16个单元。
[0027]②故障分为W下四种：如果A1、A2、B1S个单元中有大于一个单元故障，则整个设 备故障；如果A3~A7、B2、B3屯个单元中有大于两个单元故障，则整个设备故障；如果A8~ A12、B3、B4屯个单元中有大于两个单元故障，则整个设备故障;如果A3~A12、B2~B4十S个 单元中有大于=个单元故障，则整个设备故障；
[002引③W上程序迭代IO4次，设备故障次数与IO4的比即为不可靠度。
[0029] 本发明的有益效果是:解决了环备份结构电子产品可靠性建模的难题，可W应用 到包含环备份结构的电子、机电等多类产品、系统的可靠性设计领域。满足了对复杂的环备 份结构的逻辑关系描述和可靠性分析要求。为提高产品的可靠性分析、设计水平提供了理 论基础。
【附图说明】
[0030] 图1是放大器16保12环备份示意图。
[0031 ]图2是放大器的蒙特卡罗仿真流程图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0033] 本发明主要基于蒙特卡罗模拟法，实现环备份结构可靠性建模和分析计算。采用 蒙特卡罗仿真方法来建模，其基本建模步骤如下：
[0034] ①建立一个与求解有关的概率模型，使求解为所构建模型的概率分布或数学期 望；
[0035] ②对模型进行随机抽样观察，即产生随机变量；
[0036] ③进行比较求解。
[0037] 如图I所示的设备是某行放大器，该设备属于环备份。该设备结构功能关系为16保 12备份:正常情况下，共有12个单元(Al~A12)工作，构成12条通路，其余4个(BI~B4)为备 份件。其中，Bl能对通路1和2中的任何一路进行备份，A1、A2和Bl组成3:2备份方式;其余A3 ~A12和B2~B4组成13保10备份模式:B2能对通路3~7中的任何一路备份，但不能对通路8 ~12备份;B3可对3~12中的任何一路备份;B4可对通路8~12中的任何一路进行备份，但不 能对通路3~7备份。每个单体的失效率服从参数为A的指数分布。需要分析出此环备份结构 工作十五年后的不可靠度。
[0038] 该设备的16个单元之间关系比较复杂，使用蒙特卡罗方法，仿真模型如下：
[0039] ①系统模型
[0040] 系统由16个基本单元组成，用S表示，贝有S = {zi,Z2, ???zis}。
[0041] Z康示每个单元，它们的失效分布函数为Fi(t)(i = l，2,…16)，服从入=1(TV小时 的指数分布。
[0042] ②仿真逻辑关系
[0043] 对于简单的可靠性系统，可直接采用可靠性框图作为系统蒙特卡罗仿真的逻辑关 系;对于16保12冷备份运样的复杂系统，一般用故障树表示蒙特卡罗仿真的逻辑关系。引入 时间变量，设该系统中，故障树的结构函数用4 [x(t)]表示;每个单元Zi的状态变量用bi(t) 表示，则可表示为公式(5-1)
[0044] x(t) = [bi(t),b2(t),...bi6(t)]巧_1)
[0045] 其中Zi的状态变量
[0046]
(5-2)
[0047] 用d) [t]表示顶事件在t时刻的状态变量，则有
[0048]
(5-3)
[0049] 且 4 [t]= 4 [x(t)] (5-4)
[0050] 故障树的顶事件为系统S失效，而底事件为下列四种状况：
[0051] ① A1、A2、B1 的 Ebi>2;
[0化2]②A3~A7、B2、B3的 Ebi>3;
[0化3]③A8~A12、B3、B4的 Ebi>3;
[0054] ④A3~A12、B2~B4的 Ebi>4。
[0055] W上的仿真模型便可清楚的表达出该16保12设备的逻辑关系，从而可W进一步根 据该仿真模型计算所需的可靠性指标。
[0056] 对该放大器(图1)应用软件(例Matlab)进行仿真，程序流程图如图2所示。
[0057] 流程图中各变量代表的含义:E代表整个设备故障次数;K表示循环次数；i代表放 大器的名称;ti代表随机取出的16支行波管放大器的寿命时间;Ni表不第i个行波管的状态 变量，Ni=I为故障，Ni = O为正常;F表示整个设备的不可靠度。
[0化引算法程序原理如下：
[0059]①随机产生一个服从给定指数分布的时间t，比较t和131400( 15年=131400小时） 的大小关系，如果t〉131400,则在131400小时内未发生故障，状态变量为0。如果t<131400， 则在131400小时内发生故障，状态变量为1。对每一个放大器均按运种方法产生随机数，并 得到其状态变量，共16个单元。
[0060] ②故障分为W下四种：如果A1、A2、B1S个单元中有大于一个单元故障，则整个设 备故障。如果A3~A7、B2、B3屯个单元中有大于两个单元故障，则整个设备故障；如果A8~ A12、B3、B4屯个单元中有大于两个单元故障，则整个设备故障;如果A3~A12、B2~B4十S个 单元中有大于=个单元故障，则整个设备故障；
[0061] ③W上程序迭代IO4次，设备故障次数与IO4的比即为不可靠度。
[0062] 分析得出产品的不可靠度，因为产品的不可靠度、可靠度、失效率、MTTF等指标可 W相互换算，因此可W得出环备份结构的其他可靠性特征量的数值。
[0063] W上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员 应该了解，上述实施例不W任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获 得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
[0064] 本发明未设及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加 W实现。
【主权项】
1. 一种对环备份电子产品进行可靠性建模分析的方法，其特征在于:基于蒙特卡罗模 拟法实现环备份结构可靠性建模和分析计算，采用蒙特卡罗仿真方法来建模，其建模步骤 如下： (1) 建立一个与求解有关的概率仿真模型，使求解为所构建模型的概率分布或数学期 望； (2) 对模型进行随机抽样观察，即产生随机变量； (3) 进行比较求解。2. 根据权利要求1所述的一种对环备份电子产品进行可靠性建模分析的方法，其特征 在于:使用蒙特卡罗方法建立的仿真模型如下： ① 系统模型 系统由16个基本单元组成，用S表示，则有S= {zi，Z2, "116}; Zi表示每个单元，它们的失效分布函数为Fi(t)(i = l ,2,…16)，服从λ=10-7/小时的指 数分布； ② 仿真逻辑关系 对于简单的非16保12冷备份可靠性系统，可直接采用可靠性框图作为系统蒙特卡罗仿 真的逻辑关系;对于16保12冷备份这样的复杂系统，采用故障树表示蒙特卡罗仿真的逻辑 关系；引入时间变量，设该系统中，故障树的结构函数用Φ[χ(0]表示;每个单元 21的状态 变量用bKt)表示，则可表示为公式(5-1) x(t) = [bi(t)，b2(t)，."bi6(t) ] (5-1) 其中Zi的状态变量'在t时刻第i个底事件发生 p ，在t时刻第i个底事件不发生 （d用Φ [t]表示顶事件在t时刻的状态变量，则有 在t时刻顶事件发生 \ D-O ) 在t时刻顶事件不发生 且 Φ[t] = Φ[x(t)] (5-4) 故障树的顶事件为系统s失效，而底事件为下列四种状况： ① A1、A2、B1 的 Ebi彡2; ② A3~A7、B2、B3 的 Σ bi 彡 3; ③ A8~A12、B3、B4的 Ebi彡3; ④ A3~A12、B2~B4的Ebi彡4。3. 根据权利要求2所述的一种对环备份电子产品进行可靠性建模分析的方法，其特征 在于根据所述仿真模型计算所需可靠性指标的方法为： ① 随机产生一个服从给定指数分布的时间t，比较t和131400 (15年=131400小时）的大 小关系，如果t>131400,则在131400小时内未发生故障，状态变量为0;如果t〈131400,则在 131400小时内发生故障，状态变量为1;对每一个放大器均按这种方法产生随机数，并得到 其状态变量，共16个单元。 ② 故障分为以下四种：如果Al、A2、B1三个单元中有大于一个单元故障，则整个设备故 障；如果A3~A7、B2、B3七个单元中有大于两个单元故障，则整个设备故障；如果A8~A12、 B3、B4七个单元中有大于两个单元故障，则整个设备故障;如果A3~A12、B2~M十三个单元 中有大于三个单元故障，则整个设备故障； ③以上程序迭代IO4次，设备故障次数与IO4的比即为不可靠度。
【文档编号】G06F11/00GK106021001SQ201610361505
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】张晓洁, 李政
【申请人】熊猫电子集团有限公司, 南京熊猫汉达科技有限公司