本发明属于数控机床，涉及一种数控机床内部故障传播的风险评估方法，具体涉及到数控机床系统任务-功能-资源模型的划分、三大风险因素等级的获取、基于多维安全风险理论的故障传播风险评估模型的构建、识别关键安全要素，从多角度评价系统中各模块对整体的影响以支持预防措施。
背景技术：
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2、在全球智能化背景下，由于系统内部组件之间的耦合关系日益复杂，局部扰动或故障可能通过故障传播对系统产生全局影响，尤其是在航空航天、化工、铁路等工业领域，一个微不足道的故障都有可能在系统中不断传播、扩散，从而引起连锁反应，若不及时处理，将会造成系统局部乃至整个系统崩溃。因此，这类复杂系统的安全分析和风险评估越来越受到人们的重视。
3、安全分析和风险评估的目的是通过系统的设计消除和控制各种危险，采取预防措施防止在系统运行过程中发生事故，造成人身伤害、设备损坏或任务失败。随着科学技术的进步，许多高风险领域发展出了一系列评价系统失效和风险事件的分析方法。传统的安全建模和分析方法主要是基于归纳和演绎的逻辑过程来进行系统安全分析。这些方法是从系统的局部特点或内部部件之间的直接关系出发，寻找安全问题的根本原因，开展分析、验证、保证等安全工作。然而，由于复杂系统的耦合和相关特性，这些方法仍然存在一些安全问题。此外，随着事故理论的发展，大量现代安全分析方法如马尔可夫过程法、分析设计语言(aadl)、贝叶斯网络等也被发明出来。但是上述安全分析方法主要集中在对耦合机理的定性描述和研究上，缺乏对系统中各部件之间耦合和相关关系的定量分析和评价。随着对风险概念的进一步理解，人们对风险所涉及的要素也有了更多的研究和认知。对于风险的度量，应用最为广泛的是概率和严重程度的风险模型，如故障树分析法(fta)、失效模式及影响分析法(fmea)以及事件树分析法(eta)等安全分析方法均采用该模型对风险进行评价。然则上述风险评估方法大多侧重于事故概率和严重程度的分析，缺乏考虑时间因素相关故障的多维安全风险评估方法。
技术实现思路
1、发明目的：针对上述背景，提出了一种基于多维安全风险理论的数控机床故障传播风险评估与分析方法，设计了一种数控机床模块间的故障传播风险分析策略。具体涉及到数控机床功能层与物理资源层的划分，考虑传播概率、潜在严重程度和传播时间的风险评估模型的构建，分析故障的传播风险，识别关键安全模块，提供相应的预防措施建议。
2、技术方案：一种新型的基于多维安全风险理论的数控机床故障传播风险评估与分析方法。针对数控机床内部模块间的故障信息传播关系，提出了一种基于多维安全风险理论的数控机床故障传播风险评估策略。具体涉及到数控机床功能层与物理资源层的划分，考虑传播概率、潜在严重程度和传播时间的风险评估模型的构建，分析故障的传播风险，识别关键安全模块，提供相应的预防措施建议。针对数控机床内部故障传播风险评估模型的构建，包括如下具体步骤：
3、步骤1)对数控机床模型进行功能层与物理资源层的划分，包括如下步骤：
4、步骤1.1)根据数控机床的工作原理，对机床进行模块划分，确定划分的模块的种类，即系统的物理资源层，包括电气模块、数控模块、换刀模块、进给模块、伺服模块、主轴模块等模块共同组成了整个数控机床的工作系统，
5、步骤1.2)根据数控机床的部件配置，对车床进行层级划分，形成不同的模块，其中，序号一列代表模块被划分的代号，模块一列对应的是数控机床的内部系统，范围这一列表示的是数控机床的各个部件的组件信息所归属到的模块。
6、步骤1.3)在系统任务规划的基础上，进行必要的功能分解，即系统的功能层，包括零件加工、设备保养、综合管理三大功能。
7、步骤2)确定数控机床模块间故障传播的潜在严重程度、传播概率和传播时间，包括如下步骤：
8、步骤2.1)从数控机床上获取故障报警信息，处理后得到模块间的直接耦合度矩阵cd，根据故障传播理论和级联故障理论，经过floyd算法处理后获取间接耦合度矩阵cc以及最短路径矩阵cr。
9、步骤2.2)通过建立潜在严重性矩阵进行风险量化。潜在故障需要的传播步数越多，其影响程度越低，因此需要建立潜在严重程度与间接耦合度之间的函数关系。由于传播效应程度随耦合程度非线性减小，本文采用典型的较小类型的cauchy型隶属度函数，如下所示：
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11、结合先前划分的数控机床任务-功能-资源模型考虑安全临界等级sg，根据s＝sp×sg得到更新后的潜在严重性矩阵s。
12、步骤2.3)根据获取到的故障报警信息，计算故障传播的频率和平均时间，并将其作为直接传播概率矩阵和直接传播时间矩阵
13、步骤2.4)参考故障传播途径，如果故障从资源元素ri传播到资源元素rj需要n步(可从最短路径矩阵中获得)，则每步传播的概率为p1，p2，…，pn(可由直接传播概率矩阵得到)。元素ri到元素ri故障的间接传播概率可由下式计算，从而形成间接传播概率矩阵
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15、同理，如果故障从资源元素ri传播到资源元素ri需要n步(可以从最短路径矩阵中得到)，每步传播的时间为t1，t2，…，tn(可由直接传播时间矩阵得到)，故障从元素ri传播到元素ri的间接传播时间可由下式计算，则形成间接传播时间矩阵
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17、步骤3)基于多维安全风险理论，利用故障传播的潜在严重程度、传播概率和传播时间，构建安全风险评估模型，包括如下步骤：
18、步骤3.1)传统的风险评估通常采用定性/半定量方法，其基本规则是根据经验将风险因素定性地分为不同的级别，然后参考风险评估模型进行半定量风险评估。根据《中华人民共和国国家军用标准-装备安全性工作通用要求》，结合专家经验划分风险指数，潜在严重程度、传播概率和传播时间三个维度均采用五级危险因素，从轻到重是1级到5级。
19、步骤3.2)从故障传播的潜在严重程度s、传播概率p和传播时间t三个维度量化安全风险，根据风险概念，引入安全风险值，将其映射到三维空间，用其到原点的欧式距离评估：
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21、其中α、β、γ是偏好修正因子，根据划分的风险指数与matlab中的回归函数来实现多元线性回归拟合得到偏好修正因子。
22、步骤3.3)考虑间接传播概率矩阵、潜在严重程度矩阵、间接传播时间矩阵的数值范围，根据专家经验给出定性的风险因素等级划分，代入公式(12)，得到风险评价值，总安全风险值rn和安全风险比率ηi可以用下式计算：
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25、步骤4)基于pareto规则、alarp原则和安全风险熵分析故障的传播风险，识别关键安全模块，提供相应的预防措施建议，包括如下步骤：
26、步骤4.1)安全风险比率表征了系统中每个模块对系统总的安全风险值的贡献程度，将安全风险比率降序排列，由此可以直观地识别系统中的关键安全模块。在区分安全关键环节时，可以认为80％的事故来自20％的危险源，将前20％定义为安全关键模块。
27、步骤4.2)根据安全风险值和相关经验设定了两个风险边界：不可容忍边界和可忽略边界，形成三个风险区域和级别：严重风险区域，alarp区域和可忽略区域，其中alarp区域意味着该区域的风险值是合理可接受的。
28、步骤4.3)将系统安全风险中所有随机因素的度量定义为安全风险熵，基于香农熵的定义，假设故障从资源元素ri到rj需要n个步骤，每个步骤传播概率为pi，hij表示的就是资源元素ri到rj的安全风险熵，也叫故障传播的不确定风险，hi表示的是资源层的总的安全风险熵，其计算公式如式(15)及式(16)所示。
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31、步骤4.4)综合考虑pareto规则、alarp原则和安全风险熵结果，针对严重风险区域和关键风险因素，进一步研究耦合相关性，提出预防措施，降低风险水平，提高系统安全性。
32、有益效果：针对数控机床内部存在的故障传播问题，设计了一种基于多维安全风险理论的数控机床故障传播风险评估方法。设计的该方法，对数控机床系统进行任务-功能-资源模型的划分，引入多维安全风险理论获取潜在严重程度、传播概率和传播时间三个维度的风险因素等级，实现了对关键风险因素及严重风险区域的识别，在综合考虑分析结果后，针对严重风险区域和关键风险因素进行分析评估，并提出预防措施，降低风险水平，提高系统安全性。总体而言，该发明具有如下优势：1、提出了基于任务-功能-资源模型的复杂系统层次结构形式化描述与耦合相关性分析方法，旨在实现复杂系统内部组件间耦合相关性的形式化描述，为风险分析与评估提供依据。2、引入多维安全风险理论根据故障信息获取潜在严重程度、传播概率和传播时间三个维度的风险因素等级。3、结合pareto规则、alarp原则和安全风险熵，识别关键安全要素，从多角度评价系统中各模块对整体的影响以支持预防措施。
33、本发明所提出的一种基于多维安全风险理论的数控机床故障传播风险评估方法，引入多个维度的风险因素，有效地获取了故障传播时各模块的安全风险值与安全风险比率，并提出预防措施，降低风险水平，提高系统安全性，具有很强的逻辑性和实用性，在实际中具有一定的应用意义，可广泛应用于一类复杂耦合系统的故障传播风险评估模型的构建的问题。