一种IMA核心处理系统结构配置方法

技术领域

本发明涉及航空设备设计技术领域，具体而言涉及一种IMA核心处理系统结构配置方法。

背景技术

IMA核心处理系统作为民用飞机的重要组成部分，用于集中处理航空电子系统的相关任务，为驻留功能的应用提供服务，保障飞机安全可靠地航行。为了满足系统的可靠性、安全性及资源等要求，通常采用冗余技术和容错技术，但随着IMA核心处理系统的规模和复杂度不断增加，找出合适冗余度的IMA核心处理系统结构十分困难。所以设计一套考虑不同冗余形式下可靠性指标的IMA核心处理系统设计模型十分必要。

房丙午等人在文献“基于贝叶斯网络的复杂系统动态故障树定量分析方法”及相关论文中提出了动态故障树到离散时间贝叶斯网络的转换方法，有效地分析和评估了安全攸关的复杂动态系统的概率特性。汪欣等人在论文“分布式综合模块化航电系统的建模与优化设计研究”以及相关专利中完成了DIMA架构模型与其实数编码实现，并提供了质量和成本指标的度量方法，在资源约束和性能约束指标下使用多目标优化算法进行DIMA架构优化求解，但未考虑到可靠性指标的计算。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种IMA核心处理系统结构配置方法，考虑不同冗余形式下可靠性指标，以最大冗余度IMA核心处理系统的动态故障树为输入，以权衡评价目标后的IMA核心处理系统结构配置为输出，结合已有的动态故障树到离散时间贝叶斯网络转换方法，有效求解出不同冗余形式下的IMA核心处理系统结构的不可用性指标，本发明可扩展性强，可以用于满足系统需求的不同冗余方式和冗余度组合结构配置及其不可用性指标的求解。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种IMA核心处理系统结构配置方法，所述结构配置方法包括以下步骤：

S1，将输入的最大冗余度IMA核心处理系统的动态故障树转换为最大冗余度的离散时间贝叶斯网络；所述最大冗余度的离散时间贝叶斯网络是指IMA核心处理系统冗余度最大的情况下的动态故障树转换来的离散时间贝叶斯网络；

S2，根据采用实数编码对IMA核心处理系统结构进行建模，不同的实数编码方案对应不同的IMA核心处理系统结构；

S3，根据步骤S2中得到的不同的实数编码方案对步骤S1中最大冗余度的离散时间贝叶斯网络进行调整；

S4，利用步骤S3中不同编码方案下的离散时间贝叶斯网络及相关计算工具求解IMA核心处理系统在不同结构下的不可用性；

S5，将步骤S4中IMA核心处理系统在不同结构下的不可用性作为模型评价标准之一，增设包括成本和重量在内的一个或多个评价指标，选用单/多目标优化算法对建立的IMA核心处理系统结构进行优化评估，得到优化后的IMA核心处理系统结构。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，步骤S1中，所述将输入的最大冗余度IMA核心处理系统的动态故障树转换为最大冗余度的离散时间贝叶斯网络的过程包括以下步骤：

S11，图映射：将动态故障树的基本事件、中间事件和顶层事件分别转换为离散时间贝叶斯网络的根节点、中间节点和叶子节点；

S12，数值映射：根据基本事件的失效概率填充根节点的先验概率值以及根据其他节点所表示的逻辑门的类型填充条件概率表。

进一步地，步骤S2中，所述根据离散时间贝叶斯网络的可选模块对IMA核心处理系统结构进行实数编码的过程包括以下步骤：

S21，收集待配置的IMA核心处理系统的可选模块的数量，得到IMA核心处理系统结构配置向量x

式中，M为可选模块的数量，每个可选模块对应两位实数编码

S22，获取各类型可选模块中组/部件的数量、冗余方式的数量及可选模块间的层次关系，计算得到实数编码的取值范围：

式中，N

当可选模块i与可选模块j存在层次关系，例如模块i嵌套在模块j内，即j∈N

进一步地，步骤S3中，所述根据步骤S2中得到的不同的实数编码方案对步骤S1中最大冗余度的离散时间贝叶斯网络进行调整的过程包括以下步骤：

S31，对步骤S2中不同实数编码方案进行解码得到相应的配置方案，所述配置方案包括代表冗余度和冗余方式的实数编码的两种相应解码方式；

S32，根据步骤S31中解码得到的配置方案，对最大冗余度的离散时间贝叶斯网络进行调整，包括边的调整和条件概率表的调整两个方面。

进一步地，步骤S31中，所述对步骤S2中不同实数编码方案进行解码得到相应的配置方案的过程包括以下步骤：

S311，对于代表冗余度的部分实数编码，采用如下解码方式：将

S312，对于代表冗余方式的部分实数编码，采用如下解码方式：将

进一步地，步骤S32中，所述根据步骤S31中解码得到的配置方案，对最大冗余度的离散时间贝叶斯网络的边进行调整的过程包括以下步骤：

S321，从可选模块中间冗余方式节点的变化和根节点及中间组件节点的变化两个方面，对离散时间贝叶斯网络的边进行调整：

S3211，对于中间冗余方式节点的变化，根据步骤S312中获得的冗余方案，参照步骤S1中不同形式的逻辑门对应的离散时间贝叶斯网络形状，对离散时间贝叶斯网络进行调整，在与其相连的节点之间增删相互边；

S3212，对于根节点/中间组件节点变化，其中根节点/中间组件节点分别对应IMA核心处理系统最底层的可选部件和中间的可选组件，若可选部件之间有由于冗余方式生成的相关边，依然将该可选部件看作是根节点，根据步骤S311中获得的二进制配置方案对最大冗余度的贝叶斯网络进行边修剪，修剪的过程即为对可选资源调整的过程，0代表未选中该根节点/中间组件节点即未选中系统中的相应部/组件，1代表选中该根节点/中间组件节点即选中系统中的相应部/组件；

若未被选中的部/组件与同类、同层次的部/组件无相互关系，则将该部/组件对应的根节点/中间组件节点到所连接的中间冗余方式节点的边删除；若未被选中的部/组件与同类、同层次的部/组件有相互关系，则将该部/组件所对应根节点/中间组件节点到后继节点的边赋给其前驱节点再进行删除；特别地，当选中的部/组件数量为1时即事实上该可选模块已不存在冗余，中间冗余方式节点多余，应当将中间冗余方式节点到直其接后继节点的边赋给选中的根节点/中间组件节点再删除。

S322，根据冗余方式对最大冗余度的离散时间贝叶斯网络的条件概率表进行调整：

对于逻辑门与和逻辑门或的条件概率表，OR的条件概率表为

进一步地，步骤S4中，所述利用步骤S3中不同编码方案下的离散时间贝叶斯网络及相关计算工具求解IMA核心处理系统在不同结构下的不可用性的过程包括以下步骤：

将步骤S3中不同编码方案下的离散时间贝叶斯网络作为贝叶斯网络工具FullBnt的输入，计算各个配置下的离散时间贝叶斯网络叶子节点的概率作为IMA核心处理系统顶事件的发生概率，继而求解不同结构配置下的不可用性指标。

进一步地，步骤S5中，所述将步骤S4中IMA核心处理系统在不同结构下的不可用性作为模型评价标准之一，增设包括成本和重量在内的一个或多个评价指标，选用单/多目标优化算法对建立的IMA核心处理系统结构进行优化评估，得到优化后的IMA核心处理系统结构的过程包括以下步骤：

S51，增设重量指标作为评价指标，将步骤S311中获得的二进制数串，并与每个部件的重量向量相乘，最终得到每种方案下的重量指标；

m＝x

式中，m表示IMA核心处理系统的部件总重量，x

其中，如果存在层次关系的可选模块中的任一分支的部分设备已经固定，但另一分支同等作用的组件可选，当选中固定组件所在分支时，计算重量时将对应固定组件的重量考虑在内；

S52，将不可用性和重量作为模型设计目标，选用单/多目标优化算法对建立的IMA核心处理系统结构进行优化评估，得到优化后的IMA核心处理系统结构。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的一种考虑不同冗余形式下可靠性指标的IMA核心处理系统建模设计方法，结合已有的动态故障树到离散时间贝叶斯网络转换方法，将最大冗余度IMA核心处理系统的动态故障树转换为最大冗余度的离散时间贝叶斯网络，根据提供的建模方法将不同配置方案下的动态故障树转换为离散时间贝叶斯网络进行不可用性这一可靠性相关指标的求解。

(2)本发明设计了基于实数的数学模型，克服了原先0-1编码可扩展性差的缺点，使得变量在面向更大规模的航空电子系统设计问题下的可靠性增强，并且同样适用于航空电子系统的其他子系统。

(3)本发明设计中充分考虑到了资源约束以及系统结构之间的层次关系，同时也便于引入成本、重量等指标的计算。

附图说明

图1为本发明的IMA核心处理系统结构配置方法的实施流程图。

图2为动态故障树对应的离散时间贝叶斯网络结构示意图及条件概率。

图3为根据配置方案对离散时间贝叶斯网络进行调整的示意图。

图4为层次关系的模块中存在固定部件的重量指标计算调整示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

结合图1，本发明提出一种IMA核心处理系统结构配置方法，包括以下步骤：

S1，将输入的最大冗余度IMA核心处理系统的动态故障树转换为最大冗余度的离散时间贝叶斯网络。

S2，采用实数编码对IMA核心处理系统结构建模，不同的实数编码方案对应不同的IMA核心处理系统结构。

S3，根据步骤S2中不同的实数编码方案对步骤S1中最大冗余度的离散时间贝叶斯网络进行调整。

S4，利用步骤S3中不同编码方案下的离散时间贝叶斯网络及相关计算工具求解IMA核心处理系统不同结构下的不可用性。

S5，将步骤S4中的不可用性作为模型评价标准之一(即模型设计目标)，可增设其他例如成本、重量之类的评价指标，选用单/多目标优化算法对建立的IMA核心处理系统结构进行优化评估，得到优化后的IMA核心处理系统结构。

本发明所涉及的IMA核心处理系统建模设计方法主要包括最大冗余度IMA核心处理系统动态故障树到最大冗余度离散时间贝叶斯网络的转换、采用实数编码对系统结构建模、根据编码方案对最大冗余度离散时间贝叶斯网络进行调整、利用单/多目标优化算法对模型进行优化评估等方面，以IMA核心处理系统最大冗余度下的动态故障树为输入，以权衡评价目标后的IMA核心处理系统结构配置为输出。

步骤一、将输入的最大冗余度IMA核心处理系统的动态故障树转换为最大冗余度的离散时间贝叶斯网络

步骤S1中，所述的最大冗余度的离散时间贝叶斯网络是指IMA核心处理系统冗余度最大的情况下的动态故障树转换来的离散时间贝叶斯网络。

结合图2，步骤S1中，所述的将最大冗余度IMA核心处理系统的动态故障树转换为最大冗余度的离散时间贝叶斯网络包括以下步骤：

S11，图映射，将动态故障树的基本事件、中间事件(逻辑门)、顶层事件分别转换为离散时间贝叶斯网络的根节点、中间节点、叶子节点。

S12，数值映射，根据基本事件的失效概率填充根节点的先验概率值以及根据其他节点所表示的逻辑门的类型填充条件概率表。

步骤二、采用实数编码对IMA核心处理系统结构建模，不同的实数编码方案对应不同的IMA核心处理系统结构

步骤S2中，所述的采用实数编码对IMA核心处理系统结构建模的过程包括以下步骤：

S21，实数编码长度取决于可选模块的数量，收集待配置的IMA核心处理系统的可选模块的数量，得到IMA核心处理系统结构配置向量x

其中，M为可选模块的数量，每个模块对应两位实数编码

S22，实数编码的取值范围取决于各类型可选模块中组/部件的数量、冗余方式的数量及可选模块间的层次关系；

其中，N

当可选模块i与可选模块j存在层次关系，如模块i嵌套在模块j内，即j∈N

当可选模块j未选中可选模块i所在分支时即

步骤三、根据步骤S2中不同的实数编码方案对步骤S1中最大冗余度的离散时间贝叶斯网络进行调整

结合图3，步骤S3中，所述根据步骤S2中不同的实数编码方案对步骤S1中最大冗余度的离散时间贝叶斯网络进行调整过程包括以下步骤：

S31，对步骤S2中不同实数编码方案进行解码得到相应的配置方案，涉及到代表冗余度和冗余方式的实数编码的两种相应解码方式：

S311，代表冗余度的部分实数编码解码方式，将

S312，代表冗余方式的部分实数编码解码方式，将

S321，步骤S32中，最大冗余度的离散时间贝叶斯网络边的调整涉及到可选模块中间冗余方式节点的变化和根节点及中间组件节点的变化两个方面，对离散时间贝叶斯网络边的调整过程包括以下步骤：

S3211，中间冗余方式节点的变化，根据步骤S312中获得的冗余方案，参照步骤S1中不同形式的逻辑门对应的离散时间贝叶斯网络形状，对离散时间贝叶斯网络进行调整，在与其相连的节点之间增删相互边。如图3所示，当冗余方式由热备份(HSP)变为冷备份(CSP)时，根据HSP到CSP贝叶斯网络形状的变换，增删相互边。

S3212，根节点/中间组件节点变化(根/中间组件节点分别对应IMA核心处理系统最底层的可选部件和中间的可选组件，若可选部件之间有由于冗余方式生成的相关边，依然将该可选部件看作是根节点，根据步骤S311中获得的二进制配置方案对最大冗余度的贝叶斯网络进行边“修剪”，“修剪”的过程即为对可选资源调整的过程，0代表未选中该根节点/中间组件节点即未选中系统中的相应部/组件，1代表选中该根节点/中间组件节点即选中系统中的相应部/组件。

若未被选中的部/组件与同类、同层次的部/组件无相互关系，则可直接将该部/组件对应的根节点/中间组件节点到所连接的中间冗余方式节点的边删除；若未被选中的部/组件与同类、同层次的部/组件有相互关系，则需要将该部/组件所对应根节点/中间组件节点到直接后继节点的边赋给其直接前驱节点再进行删除。特别地，当选中的部/组件数量为1时即事实上该可选模块已不存在冗余，中间冗余方式节点多余，应当将中间冗余方式节点到直其接后继节点的边赋给选中的根节点/中间组件节点再删除。如图3所示，部件数量为3，若

步骤S32中，最大冗余度的离散时间贝叶斯网络条件概率表的调整过程包括以下步骤：

S322，根据步骤S31中的编码方案对最大冗余度的动态故障树进行边的调整后，根据冗余方式对条件概率表进行调整。逻辑门与和逻辑门或的条件概率表的变化则具有一定的规律，且热备件门(HSP)和温备件门(WSP)的条件概率表与逻辑门与的相同。OR的条件概率表为

步骤四、利用步骤S3中不同编码方案下的离散时间贝叶斯网络及相关计算工具求解IMA核心处理系统不同结构下的不可用性

步骤S4中，将步骤S3中不同编码方案下的离散时间贝叶斯网络作为贝叶斯网络工具FullBnt的输入，计算各个配置下的离散时间贝叶斯网络叶子节点的概率即IMA核心处理系统顶事件的发生概率，求解不同结构配置下的不可用性指标。

步骤五、将步骤S4中的不可用性作为模型评价标准之一(即模型设计目标)，可增设其他例如成本、重量之类的评价指标，选用单/多目标优化算法对建立的IMA核心处理系统结构进行优化评估，得到优化后的IMA核心处理系统结构

步骤S5中，将步骤S4中的不可用性这一可靠性相关指标作为模型评价标准之一，也可增设重量、成本等评估指标，以增设重量指标为例，设计如下：

将步骤S311中获得的二进制数串，并与每个部件的重量向量相乘，最终得到每种方案下的重量指标：

m＝x

m表示IMA核心处理系统的部件总重量，x

倘若存在层次关系的可选模块中，某分支的部分设备已经固定，是不可选的即不参与编码，不涉及重量指标的计算，但另一分支同等作用的组件可选即参与编码，涉及重量指标的计算，为了保证二者等价，当选中该固定组件所在分支时，计算重量时应当也将该固定组件的重量考虑在内。结合图4，当选中HSP1左侧的模块时即HSP1编码值为2或3，其内部的部件已经固定，无需编码，而选中右侧时ECUB组件并未固定仍处于可选状态，涉及到编码和重量指标的计算，因此需要在选中左侧组件时，在重量指标中加入已固定组件的重量。

将不可用性和重量作为模型设计目标，选用单/多目标优化算法对建立的IMA核心处理系统结构进行优化评估，得到优化后的IMA核心处理系统结构。

综上所述，本发明充分考虑IMA核心处理系统结构设计中的问题，尤其将不可用性这一可靠性相关指标加入考虑，将动态故障树转换为离散时间贝叶斯网络利于复杂动态系统的顶事件概率计算，且所采用的建模设计方法易拓展并适用于其他航电子系统。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。