状态事件故障树的建模与分析方法研究

摘要

随着科技的发展与进步，在安全性及可靠性至关重要的领域（如航空电子、汽车、铁路、工业自动化等领域），越来越多的机械及电气组件被软件控制系统（也称嵌入式系统）所替代。传统的可靠性建模分析方法（如故障树分析方法）应用于软件控制系统时，在持续时延、事件序列以及不同组件状态间相互依赖特性的处理上，建模能力就会略显不足。为了弥补传统建模方法的缺陷，德国的Bernhard Kaiser等人提出了一种新的基于状态建模机制和故障树建模机制的建模模型----状态事件故障树。然而，状态事件故障树至今还没有得到广泛应用，究其原因，主要因为基于状态事件故障树的建模案例不够完善，相关的分析方法（包括模型的定性和定量分析）还不够成熟。因此，本文主要针对状态事件故障树建模与分析方法进行了相关研究。
　　本文首先从状态事件故障树建模能力入手，以航电网络为例，针对其特点及运行机制，建立了对应的航空电子全双工交换式以太网的数据完整可靠性的状态事件故障树模型，展示了状态事件故障树模型在组件状态依赖特性的描述能力上的优势以及在系统组件可拓展性上的优势。其次，从状态事件故障树化简方法入手，基于卫式接口自动机能够合并简化的特点，结合状态事件故障树模型的语义规范，对卫式接口自动机进行了拓展，给出了拓展卫式接口自动机的语义。设计了状态事件故障树模型到拓展卫式接口自动机的转换规则，并改进了卫式接口自动机的合并算法。给出了状态事件故障树等价计算模型的简化步骤，通过实例的化简前后的计算结果验证了简化方法的正确性并通过化简前后的模型状态空间对比展示了化简方法的有效性。此外在状态事件故障树最小割集序列生成方法的基础上，进一步研究了其最小割集序列的定量计算方法。根据有色 Petri网中托肯能够传递属性的特性，设计了状态事件故障树到有色 Petri网的语义转换规则，通过语义装换规则，能够在有色Petri网中体现原始故障在系统中的传递及转移情况。最后根据有色Petri网中对应系统故障的状态库所中的托肯属性即可表现系统故障的根本原因。对不同托肯属性所对应的故障状态概率进行计算，便能够得到每条最小割集序列造成系统故障的概率值。最后以火灾保护系统为应用背景，通过实验计算了系统每条最小割集序列对系统故障的影响程度，根据计算结果便能够优化系统的设计。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

目录

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文主要内容和创新

第二章 基础知识介绍

2.1 AFDX网络及其可靠性

2.2故障树建模理论

2.3 Petri网建模理论

2.4 Petri网分析工具TimeNET

2.5本章小结

第三章 AFDX网络的状态事件故障树模型

3.1 AFDX网络的数据传输过程

3.2状态事件故障树的可靠性分析方法

3.3 AFDX网络的数据完整可靠性建模

3.4本章小结

第四章 基于接口自动机的状态事件故障树化简方法

4.1接口自动机模型形式化定义

4.2改进的拓展卫式接口自动机模型形式化定义

4.3状态事件故障树中组件与拓展卫式接口自动机之间的转化规则

4.4改进的状态事件故障树简化方法

4.5状态事件故障树简化方法的实例仿真及验证

4.6本章小结

第五章 状态事件故障树的最小割集序列分析

5.1状态事件故障树最小割集序列的定性分析

5.2状态事件故障树的有色Petri网等价转换规则

5.3状态事件故障树最小割集序列的定量计算

5.4状态事件故障树最小割集序列计算的实例分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介