一种基于有向图和传递关系矩阵的故障传播模型构建方法

技术领域

本发明涉及故障诊断技术领域，具体是一种基于有向图和传递关系矩阵的故障传播模型构建方法。

背景技术

随着系统的复杂度提高，系统表现出来的故障行为复杂多样。为探明系统故障背后的原因，往往需要花费大量的人力、物力和财力。在多数情况下，复杂系统因故障导致的性能降级或宕机工作，往往会对组织或使用方带来不可估量的影响。以电子装备为例，系统故障将影响装备效能发挥，从而导致作战任务的失败。因此在复杂系统设计过程中，不仅需要对产品的功能、性能试验进行设计，还需要开展面向产品故障的设计。进行产品的故障分析是开展通用质量特性(可靠性、测试性、安全性、维修性、保障性、环境适应性)设计分析的基础。基于故障分析才能开展故障检测、风险控制等设计活动。因此，针对复杂系统的故障传播机理研究成为复杂系统研制过程中重要的研究内容，也是当前的研究热点。然而构造有效的模型对故障传播行为进行描述并非易事，故障模式及其影响分析(FMEA)是目前使用较为广泛应用的故障关系建模方法，在国防装备、汽车产业、轨道交通等行业中均有应用，该方法在能对故障及其传播关系进行描述，并指导产品完成设计改进和维修保障等。但是，针对复杂系统故障传播路径模型构建、分析及传播路径可视化方面存在如下问题，该方法尚有不足，体现在：

1)FMEA能建立复杂系统不同层级组成之间的故障传递关系，但是该方法更偏重是一种基于经验的故障关系建模技术，该技术方法的有效性和时效性极度依赖组织中技术人员经验知识和企业的管理流程；

2)故障模式与影响分析不只是一种技术，更是一种流程管理，需要组织提供充足的人力、物力保证和强而有力的组织管理控制措施，实施过程中存在因组织管理水平不足，导致该活动开展有效性和时效性不足的问题，因技术人员经验不足导致工作质量不高的问题；

3)故障模式与影响分析技术是一种从底至上的故障分析技术，建立复杂系统的层次化组成模型是开展FMEA的基础，因此FMEA对产品的层次化组成模型具有较强的依赖性，导致当产品层次划分出现改变时，需要大规模重构FMEA表，工作量大，有时组织难以接受；

4)故障模式与影响分析技术主要通过填表单的形式开展，采用多表单建立组成对象之间的故障逻辑关系，导致组成与故障、故障与故障之间的关系不清晰、信息分散、各类关系展示不直观；

5)由于故障模式与影响分析技术通过不同表单中不同单元格体现故障传递关系，逻辑关系管理复杂，逻辑关系维护困难，当系统组成关系、故障逻辑关系发生变化时，需要对整个FMEA表进行更新，当不同表单中对故障的描述不一致时，甚至会导致整个FMEA崩溃；

6)基于表单的分析技术不完善，故障关系计算困难，导致基于FMEA数据表的应用效果不明显，对设计迭代等工作贡献度不及预期。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于有向图和传递关系矩阵的故障传播模型构建方法，解决现有技术存在的故障传播模型建模复杂、不直观且难以进行动态仿真等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种基于有向图和传递关系矩阵的故障传播模型构建方法，基于有向图对系统组成单元之间的故障传播逻辑关系进行描述，以及，基于传递关系矩阵对故障传播路径进行建模表达，并建立系统的故障传播模型。

作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：

A1，抽象化：将系统抽象为有向图，提取有向图的顶点集合、边集合；其中，顶点是系统组成单元故障及其影响的图形化抽象表达，顶点包括单元故障集、故障传递关系矩阵和输出影响集，边是组成单元之间故障传递关系的图形化抽象表达；

A2，顶点定义：定义故障传播模型的顶点元素；

A3，边定义：定义故障传播模型的边元素；

A4，模型建立：基于系统逻辑架构和组成单元之间的互联关系，连接故障传播模型的顶点元素和边元素，建立系统的故障传播模型。

作为一种优选的技术方案，步骤A2包括以下步骤：

A21，获取组成单元的单元故障集FA、输出影响集EF；

A22，获取故障传递关系矩阵MP：在获取得到故障集FA、输出影响集EF的基础上，分析或提取得到被分析组成对象的故障传递关系矩阵MP；

A23，定义故障传播模型的顶点元素V：顶点元素V为V:{FA,MP,EF}；

A24，重复执行步骤A21至步骤A23，直至遍历完系统所有组成单元。

作为一种优选的技术方案，步骤A21中，获取组成单元的单元故障集FA包括以下步骤：

A211，自身故障集获取：结合系统各组成单元的状态信息，定义或提取组成单元自身故障集FI；

A212，诱发故障集获取：根据系统各组成单元的输入接口关系，结合各输入接口的输入流、控制流信息，定义或提取组成单元的诱发故障集EFI；

A213，在步骤A211、A212的基础上，获取单元故障集FA＝{FI、EFI}。

作为一种优选的技术方案，步骤A212中，组成单元的诱发故障集EFI中的元素来自于与该组成单元互连的其余组成单元的输出影响集合EF，EFI中元素与故障传播模型中传播边E一一映射。

作为一种优选的技术方案，步骤A22中，故障传递关系矩阵MP用m×n维的布尔矩阵进行表达，MP矩阵中元素为0和1的布尔值，m为故障集FA的元素数量；n为输出影响集EF的元素数量，MP矩阵中元素m

作为一种优选的技术方案，步骤A22中，分析故障集合中每一故障对应的输出影响，若故障有对应影响，则故障传递关系矩阵中对应元素为设置为布尔1；若故障无对应影响，则故障传递关系矩阵中对应元素设置为布尔0。

作为一种优选的技术方案，步骤A3包括以下步骤：

A31，任选一对顶点；

A32，定义故障传播模型中的边元素E：边元素表示两顶点中任一顶点输出影响集中元素与另一顶点诱发故障集中相关元素之间的映射关系；

A33，重复执行步骤A31至A32，直至遍历完系统所有顶点元素对。

作为一种优选的技术方案，组成单元之间通过信号流、物质流或无线传输进行交互。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

(1)在本发明建立的故障传播模型基础上，能通过计算仿真方式对故障传播路径进行实时动态仿真；

(2)本发明建立的故障传播模型中的顶点元素与产品组成对象之间一一映射，能对模型中顶点元素进行模块化封装，形成共用模块组件，便于在建立其他具有相同组成的故障传播模型中直接复用；

(3)本发明通过图形化的方式建立复杂系统的故障传播模型，能对系统组成、接口、故障传递逻辑关系进行直观展现，模型的界面展示更易于设计人员接受；

(4)本发明提出故障传播建模技术通过结合有向图良好的图形化展示能力和传递关系矩阵的可计算能力，使建立的故障传播模型具有良好的可视化和动态仿真能力；

(5)本发明提出的故障传播建模技术方法是一种建立在系统抽象的基础上的普适方法，与具体建模对象松耦合，通用性好。

附图说明

图1是故障传播建模流程图；

图2是系统组成/逻辑框图；

图3是模型元素间映射关系示意图；

图4是单元故障集、输出影响集与故障传递关系矩阵定义示意图；

图5故障传播模型中顶点元素内涵示意图；

图6定义故障传播模型中边元素示意图；

图7是基于有向图可视化的故障传播模型示意图；

图8是基于故障传播模型的失效路径动态仿真分析示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1至图8所示，本发明提供了一种基于有向图和传递关系矩阵的通用故障传播建模技术，解决目前故障传播模型建模复杂、不直观且难以进行动态仿真的问题。

1)故障传播模型为由顶点-边为元素构成的有向图，其中V为故障顶点，E为传播边；

2)故障传播模型中故障顶点V是系统组成单元内在故障逻辑传递的图形化抽象表达，模型中传播边E是组成单元之间故障传递关系的图形化抽象表达；

3)故障传播模型中故障顶点V是故障集FA、传递关系矩阵MP、输出影响集EF的集合体的映射，即V:{FA,MP,EF}；

4)故障传播模型中传播边E是两故障顶点中任一顶点输出影响集中元素EF与另一顶点诱发故障集EFI中相关元素之间的映射关系；

5)故障顶点V中，故障集FA由FI和EFI两个部分组成，即FA＝{FI,EFI}，其中FI是组成单元自身故障集，EFI是与该单元互联的其他单元故障导致的诱发故障集；

6)单元之间的互连可为有形的，如电联接、信号连接等，也可为无形，如热辐射、电磁感应、光波传输等；

7)一般情况下，组成单元的诱发故障集EFI中的元素来自于与该组成单元互连的其余组成单元的输出影响集合EF。EFI中元素与故障传播模型中传播边E一一映射；

8)传递关系矩阵MP是用m×n维的布尔矩阵进行表达，MP矩阵中元素为0和1的布尔值，m为故障集FA的元素数量；n为输出影响集EF的元素数量，MP矩阵中m

9)故障传播模型中通过FA、MP、EF完成了对故障顶点V表达的系统组成单元内在故障逻辑关系的描述；

10)故障传播边E是不同组成单元之间EF和EFI之间关系的映射，描述了故障在不同组成单元之间的传递关系；

11)在建立的故障传播模型基础上，通过仿真运算能获取各组成单元的故障在系统中的传播路径和组成单元故障导致的系统级输出影响；

12)在建立的故障传播模型基础上，通过仿真运算，能获取导致出现各系统级别输出影响的内在故障；

13)根据可视化层次的不同，可通过故障点V、传播边E显示内容的不同颗粒的细化，对传播路径进行直观的可视化展示；

通过本发明构建得到的故障传播模型通过有向图的方式对系统组成单元之间的故障传播逻辑关系进行描述，以图形化的方式对故障传播路径进行直观展示，并在建立了以故障传递关系矩阵为基础的底层模型，使得本发明构建的模型具备动态仿真能力，实现故障传播路径的动态仿真分析与计算。从而提高系统故障分析的及时性和有效性，匹配频繁更新迭代的系统功能性能设计过程，为工程技术人员提供一种有效的技术方法识别系统设计中存在的薄弱环节并采取必要的规避或降级设计措施，提高产品的可靠性。

实施例2

如图1至图8所示，本实施例在实施例1的基础上，提供更细化的实施方式。

1)如图1所示，一种基于有向图和传递关系矩阵的通用故障传播建模技术流程图，建模步骤包括：

步骤S1，定义系统的组成和逻辑架构，提取系统组成单元集合C，系统连接边集合SE；

步骤S2，结合各组成单元的状态信息，定义或提取组成单元自身故障集FI；

步骤S3，理清组成单元的输入接口关系，结合各输入接口的输入流、控制流信息，定义或提取组成单元的诱发故障，形成诱发故障集合EFI；

步骤S4，在步骤S2、S3的基础上，获取故障集FA＝{FI、EFI}；

步骤S5，理清组成单元对象的输出接口关系，结合各输出接口的输入流、控制流信息，定义或提取组成单元的输出影响集EF；

步骤S6，在获取得到故障集FA、输出影响集EF的基础上，分析或提取得到被分析组成对象的故障传递关系矩阵MP；

步骤S7，定义故障传播模型的顶点元素V：{FA、MP、EF}；

步骤S8，重复步骤S2～步骤S6，直至遍历完系统组成单元集合C中所有组成单元；

步骤S9，基于系统逻辑架构和系统组成单元之间的互联关系，任选一对故障顶点，定义故障传播模型中的边元素E，直至遍历完所有顶点对；

步骤S10，基于系统逻辑架构和组成单元之间的互联关系，连接步骤S7中得到的顶点元素和步骤S9中得到的边元素；

步骤S11，完成所有顶点元素和边元素的连接，得到以有向图表示的故障传播模型。

2)定义系统组成及逻辑架构

如图2所示，包含关注的系统和外部用户，按照系统预期实现的功能和目标，建立系统的组成和系统逻辑架构，示例中系统组成包括C1～C6共6个组成单元，系统通过C3提供的接口向外部用户提供服务或输出，示例中C1/C2，C2/C3，C3/C4，C4/C1之间是通过信号流(如数据、信息等)进行交互，C5/C2，C5/C3，C5/C1之间通过物质流(如电源、功率信号等)进行交互，C1/C6之间通过无线传输(如电磁传播、光传播)等方式进行交互；

3)获取组成单元的故障集

如图3所示，结合组成单元C3的状态信息，分析识别C3单元自身故障，FI＝{fi1,fi2}，结合C3单元与C2、C5单元互连的输入信息，分析定义得到C3的诱发故障集EFI＝{efi1,efi2},对FI、EFI集合进行综合，得到C3单元故障集FA＝{fi1,fi2,efi1,efi2}，见图4；

4)获取组成单元输出影响集

如图3所示，结合组成单元C3的输出信息，分析定义得到该单元的输出影响集EF＝{ef1,ef2}，见图4；

5)获取组成单元故障传递关系矩阵

在获得FA、EF基础上，分析故障集合中每一故障对应的输出影响，若存在影响，则故障传递关系矩阵中对应元素为设置为布尔1，若无影响，对应元素设置为布尔0，得到的C3单元故障传递关系矩阵为MP，见图4。

6)定义故障传播模型顶点

基于获取得的C3单元FA、EF、MP，定义C3单元对应的故障传播模型顶点V3，见图5所示，V3：{FA、EF、MP}，且FA、EF、MP三者之间的关系如图5所示，按照定义V3顶点的方法，构建故障传播模型中的所有顶点元素V1～V6，见图7；

7)定义故障传播模型中边元素

如图6所示，在顶点V3和顶点V4之间构建边元素，以该边元素表示顶点V3输出影响集中元素和顶点V4诱发故障集元素之间的映射关系，并按照该方法构建故障传播模型中所有的边元素，见图7；

8)构建故障传播模型

基于分析过程中得到的顶点元素之间的连接关系，完成所有顶点元素和边元素的互连，得到系统的故障传播模型，见图7；

9)基于故障传播模型的动态仿真

在得到的图7所示的故障传播模型的基础上，可进行故障传播路径的动态仿真，见图8。当C3单元出现诱发故障efi1时，故障将沿着e3/e5→e4→e1/e9的路径进行传播，路径的可视化结果如图8所示，更详细的可通过故障传递关系矩阵对组成单元故障组成传播途径进行详细展示，见图8中局部放大图。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。