CN102663226A - 具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型及可靠性仿真算法 - Google Patents

Abstract

一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型的可靠性仿真算法，其步骤如下：1，读取部件信息和仿真信息：C_i，S，Ftype，Fa，Fb，Fc，Rtype，Ra，Rb，Rc，Stype，Sa，Sb，Sc，WorkStyle，StandbyTypa，RestoreWork，S.PRes，S.SProb，ST，TN；2，将当前仿真次数SN置为0；3，仿真次数加1，SN＝SN+1；4，初始化各部件的仿真数据，并对各部件进行第一次故障抽样，产生事件数组ES(ET，CS，Etype)，并将其按时间顺序排列。并进行“第一次抽样处理”；5，取出事件数组中的第一个事件ES(ET，EC，Etype)1，并调用“事件表处理”处理该事件；6，当前仿真次数是否小于总仿真次数，SN＜TN？，若是，转3；否则，转7；7，可靠性指标计算；8，结束。本发明在系统可靠性建模与仿真技术领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。

Description

具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型及可靠性仿真算法

技术领域

本发明涉及一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型及可靠性仿真算法，属于系统可靠性建模与仿真技术领域。

背景技术

目前，可靠性已经成为产品或系统质量的重要指标，产品或系统的可靠性水平成为一个国家工业发展水平的重要标志，受到世界各国的高度重视。在对产品或系统进行可靠性分析和设计时，为了预计、估算和评定其可靠性，首先就是要建立合适的系统可靠性模型；其次，模型的解算方法要便于实现，具有很高的效率。

在系统的可靠性设计中，冗余设计是提高系统可靠性的重要手段之一。同表决系统一样，贮备系统是复杂产品系统中实现冗余设计的重要方法。但与表决系统不同的是，所谓贮备系统，即系统中具有非工作状态下的与工作部件相同或者不同的备用部件，一旦工作部件发生故障，系统便会切换到备用部件进行工作，从而保障系统能长时间的稳定工作，提高系统可靠度和可用性。

贮备系统按照备件的备用运行状态，或者说按照备用时的寿命分布情况，可以分为单一冷贮备、单一温贮备、单一热贮备和混合贮备系统；按照部件故障后是否可修，可以分为可修贮备系统和不可修贮备系统；按照部件寿命分布函数和维修时间分布函数类型，可以分为马尔科夫型和非马尔科夫型贮备系统。公共(交叉)贮备系统是指备件为各工作部件所共用，任意备用部件能替换任一失效部件。

对于单一的冷、温、热贮备系统，不论是不可修还是可修，不论是马尔科夫型和非马尔科夫型，国内外众多学者都对其系统的可靠性的求解做了大量工作。但是，这些数学解析方法在对贮备系统求解时，当部件的数量超过3，求解就会变得相当困难了，尤其是可修非马尔科夫型贮备系统。而且这些数学解析方法都是很难用计算机编程实现。

目前已有的解析算法和仿真算法，都是只针对具有单一贮备类型(冷、温、热)的贮备系统。而现实中，很多贮备系统中的部件单元的贮备类型是不一致的，也就是说该贮备系统中可能同时具有冷、温、热型的备份件，我们称这种贮备系统为“混合贮备系统”。目前尚无可靠性工作者提出针对该模型的解算方法。

本发明在“混合贮备系统”模型的基础上引入表决功能，能够更好的描述实际复杂系统中的贮备系统，同时运用蒙特卡洛仿真方法对该模型进行了可靠性计算。

发明内容

1 目的

本发明的目的是提供一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型及可靠性仿真算法，具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型具有更良好的通用性，更接近现实复杂系统，具有较强的贮备系统表达能力；其可靠性仿真算法能够准确高效的预计和估算含有贮备系统产品的可靠性。

2 技术方案

(一)本发明一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型描述如下：

(1)具有表决功能的可修混合公共贮备系统兼有公共贮备和表决的功能，即贮备系统总单元为N个，工作单元为R个，备件为N-R个，K(K≤R)为正常工作的单元个数。当K＝1时，该贮备系统即为具有备件的并联系统；当K＝R时，该贮备系统即为具有备件的串联模型；当1＜K＜R时，该贮备系统即为具有备件的表决系统模型。并且需要指出的是，N-R个备用件是整个系统共享的，任何一个工作件失效时，都能切换任意的备件进行工作，直至系统无备件。我们称这样的系统为“具有表决功能的可修混合公共贮备系统”，简称N/R/K系统(如图1)。

(2)N/R/K系统共有N个单元，其中，R个工作件中至少须要K个正常工作，系统才能正常运行。如图1中所示N/R/K系统，共6个部件，三个首发工作件，整个系统只要有两个部件正常工就能正常运行。当正常工作部件的数量少于K时，开关开始切换到备件进行工作。若能正常工作的部件数量少于K时，N/R/K系统失效。

(3)系统中的备件，其类型可以是冷、温、热中的任意一种，且一个系统中可以同时存在多种类型备件，并且，当系统需要切换至备用件工作时，备用件之间存在一定的切换优先级别，即按图1中从上至下的切换顺序进行。

(4)各部件的工作寿命、维修时间、备用寿命都服从一般分布函数类型。

(5)部件分为可修部件和不可修部件，系统针对可修部件具有简单维修策略，即坏则能修，修则能好，并假定为“修复如新”。

(6)开关可以失效，有两种失效模式：监测状态失效(服从一般分布函数)和切换动作失效(服从确定概率)。后者发生时，有定量的重启次数，每次重启成功概率同首次。切换动作具有延迟时间。如果系统在备件切换过程中，工作件数量少于K，系统也将被视为处于失效状态。

(7)当首发工作件(即当系统刚开始运行时处于工作状态的部件或者单元，后文简称首发件或首发单元)修复之后，系统可以视其性质直接恢复其工作状态，并将正在工作的备件切换为备用状态，或者将首发件置为备用状态。

仿真模型其他细节描述：

(1)当系统须要开关切换时，若开关处于故障状态而没能执行切换任务，则当开关修复后，若系统仍然有切换需求开关才进行切换；

(2)当开关在切换延迟时间内发生故障时，视为无故障，将该故障推迟至切换工作结束；

(3)被切换的部件和切换部件的新事件(故障，修复)从延迟时间之后开始；

(4)开关有维修时间分布，与其有无失效时间分布无关，因为在开关进行切换时有可能发生故障；

(5)当开关重启次数用完后，开关失效；

(6)每次开关重启都会有延迟时间，之后再重启，直至切换成功或者重启数用完导致失效；

(7)当整个N/R/K系统失效后，所有工作部件停止工作，但维修事件依然进行。

(二)本发明一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型及可靠性仿真算法，其步骤如下：

步骤1，读取部件信息和仿真信息：C_i，S，Ftype，Fa，Fb，Fc，Rtype，Ra，Rb，Rc，Stype，Sa，Sb，Sc，WorkStyle，StandbyType，RestoreWork，S.PRes，S.SProb，ST，TN；

步骤2，将当前仿真次数SN置为0；

步骤3，仿真次数加1，SN＝SN+1；

步骤4，初始化各部件的仿真数据，并对各部件进行第一次故障抽样，产生事件数组ES(ET，CS，Etype)，并将其按时间顺序排列。并进行“第一次抽样处理”，其流程如下：

①令i＝1；

②取出部件Ci，其是否为首发件？是，置部件Ci状态为“正常工作”，转③；否则，置部件Ci状态为“备份”，转⑤；

③部件Ci备份性质是否为冷？是，抽样其故障时间，即剩余寿命Ci.LL，将其记录到事件数组中，转⑥；否则，转④；

④部件Ci备份性质是否为温？是，抽样其温寿命Ci.WL和热寿命Ci.HL，并计算两类折算因子η₁和η₂，若部件状态为“正常工作”则将其热寿命作为其故障时间记录到事件数组中，若部件状态为“备份”则将其温寿命作为故障时间记录到事件数组中，转⑥；否则，即其备份性质为热，抽样其故障时间Ci.LL，将其写入事件表中，转⑥；

⑤部件Ci备份性质是否为冷？是，转⑥；否则，转④；

⑥i＜N？是，i＝i+1，转②；否则，转⑦

⑦结束。

步骤5，取出事件数组中的第一个事件ES(ET，EC，Etype)1，并调用“事件表处理”处理该事件，其流程如下：

①读取一条新的“事件记录”ES(ET，CS，Etype)_i，把系统当前时间CT置为ET；

②根据事件主体以及事件的类型调用不同的事件处理模块：

a)判断CS部件是否为开关？是，转c)；否则转b)；

b)判断该事件是否为故障事件(Etype＝0？)？是，调用“开关处理部件故障”模块处理ESi，然后转③。否则，判断该事件是否为修复事件(Etype＝1？)？是，调用“开关处理部件修复”模块处理ESi，然后转③；否则，转③。

c)判断该事件是否为故障事件(Etype＝o？)？是，调用“开关故障事件”模块处理ESi，然后转③。否则，判断该事件是否为修复事件(Etype＝1？)？是，调用“开关修复事件”模块处理ESi，然后转③；否则，转d)。

d)判断该事件是否为开关延时结束事件(Etype＝2？)？是，调用“开关延时事件”模块处理ESi，然后转③；否则，调用“开关重启事件”模块处理ESi，然后转③。

③判断N/R/K系统是否失效，若失效则进行“停机事件处理”；

④对相关可靠性指标统计量FFT(i)、DT(i)、SS(i，t)、SF(i)、FE(i，t)进行积累；

⑤按时间顺序取出事件表中的下一个事件ES(ET，CS，Etype)_i+1，若下一个事件的发生时间大于仿真总时长，即ET＞ST，则转⑥，否则，转①；

⑥结束。

步骤6，当前仿真次数是否小于总仿真次数，SN＜TN？，若是，转③；否则，转⑦；

步骤7，可靠性指标计算；

步骤8，结束。

其中，步骤5中所述的“开关处理部件故障”模块的流程如下：(i)抽样生成该故障部件的维修时间，生成事件ES(CT+Ts，Cx，1)，并将其加入事件表中；(ii)故障部件发生故障前状态是否为“备份”？是，转(viii)，否则转(iii)；(iii)开关状态是否为“延时”？是，转(iv)；否则，转(vi)；(iv)开关当前处理事件是否为“强行上位事件”？是，转(v)；否则，转(viii)；(v)将开关当前处理事件类型改为“直接上位事件”，转(viii)；(vi)N/R/K系统是否失效？是，转(vii)；否则，转(viii)；(vii)开关是否处于维修状态？是，转(viii)；否则，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为1；(viii)结束。

其中，步骤5中所述的“开关处理部件修复”模块的流程如下：(i)开关状态若为“延时”或“维修”，则将该修复部件写入“开关待处理修复部件数组”S.RWQ中，转(vi)；(ii)N/R/K系统是否失效？是，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为直接上位，转(vi)；否则，转(iii)；(iii)修复件的工作性质是否首发件？是，转(iv)；否则，将修复件状态改为备份，进行备份件首次抽样处理，转(vi)；(iv)修复件修复后是否继续工作？是，转(v)；否则，将修复件状态改为备份，进行备份件首次抽样处理，转(vi)；(v)当前工作件数量是否达到首发件总和？是，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为强行上位；否则，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为直接上位；(vi)结束。

其中，步骤5中所述的“开关处理部件故障”模块、“开关处理部件修复”模块和“开关修复事件”模块中所涉及的“开关处理上位请求”模块的流程如下：(i)是否紧急上位事件？是，转(ii)；否则，转(iii)；(ii)是否有备件可用？是，记录“开关当前处理事件”，转④；否则，转(ix)；(iii)替换件是否为空？是，转(ix)；否则，根据上位类型分别记录“开关当前处理事件”，转(iv)；(iv)将开关状态设置为“延时”；(v)根据开关动作成功概率抽样开关切换是否成功？是，转(vi)；否则，转(vii)；(vi)开关动作延迟时间是否大于0？是，生成开关相应的延时事件，写入事件表中，转(ix)；否则，立即调用“开关延时事件”，转(ix)；(vii)开关允许重启次数是否大于0？是，转(viii)；否则，开关设置为维修态，抽样开关维修事件，写入事件表中，转(ix)；(viii)开关动作延迟时间是否大于0？是，生成相应的开关重启事件，转(ix)；否则，立即调用“开关重启事件”；(ix)结束。

其中，步骤5中所述的“开关延时事件”模块的流程如下：(i)开关当前处理事件类型是否为“强行上位”？是，将被换件置为备份状态，并且依据其冷、温、热不同性质，进行故障时间的折算，进而删除或者替换事件表中原有的该部件的事件记录，具体参见“开关处理上位请求”模块；否则，转(ii)；(ii)将替换件置为工作态，并且依据其冷、温、热不同性质，生成或者折算其故障时间，并添加或者替换事件记录，具体参见“开关处理上位请求”模块。转(iii)；(iii)将开关状态置为“正常”，清空开关当前处理事件数组。转(iv)；(iv)开关立即故障变量S.Fail是否为0？是，调用“开关修复事件”模块，转(v)；否则，开关故障，抽样生成开关维修事件，写入事件表，并将S.Fail值置为0；(v)结束。

其中，步骤5中所述的“开关重启事件”模块的流程如下：(i)开关当前重启次数加1，开关立即失效变量是否为1？是，开关故障，抽样生成开关维修事件，写入事件表中，并将立即故障变量和开关当前重启次数置为0，转(vi)；否则，转(ii)；(ii)根据开关动作概率抽样开关切换是否成功？是，转(iii)；否则，转(iv)；(iii)开关动作延迟时间是否大于0？是，生成开关延时事件，写入事件表，清空开关当前重启次数，转(vi)；否则，立即调用“开关延时事件”模块，清空当前重启次数，转(vi)；(iv)开关当前重启次数是否等于允许次数？是，开关故障，抽样生成维修事件，写入事件表，清空开关当前重启次数，转(vi)；否则，转(v)；(v)开关是否延时？是，生成开关重启事件，写入事件表，转；否则，转(i)；(vi)结束。

其中，步骤5中所述的“开关修复事件”模块的流程如下：(i)开关状态置为“正常”，开关当前处理事件信息数组是否为空？是，转(ii)；否则，转(iii)；(ii)开关待处理修复部件数组是否为空？是，转(v)；否则，调用“开关处理部件修复”模块按开关待处理修复部件的优先级别分别予以处理，转(v)；(iii)开关待处理部件修复事件数组是否为空？是，调用“开关处理上位请求”模块处理开关当前事件，转(v)；否则，转(iv)；(iv)开关当前处理事件中的替换件是否修复后继续工作？是，调用“开关处理上位请求”模块处理当前事件，转(v)；否则，调用“开关处理部件修复”模块按开关待处理修复部件的优先级别分别予以处理，转(v)；(v)贮备系统是否失效？是，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为1；否则，转(vi)；(vi)结束。

其中，步骤5中所述的“开关故障事件”模块的流程如下：(i)开关是否为“延时”状态？是，将开关立即故障变量置为1；否则，开关故障，抽样生成开关的维修事件，写入事件表；(ii)结束。

其中，步骤5中所述的“停机事件处理”模块的流程如下：(i)找到CT时刻后最早的非故障事件ESi；(ii)计算出仿真当前时间与该时刻后最早的非故障事件发生的时间差(T＝ET-CT)；(iii)将CT时刻后所有故障事件发生的时间均向后延迟T；(iv)结束。

其中，步骤7中所述的可靠性指标主要有以下几个：

a)MTTFF：系统平均首次故障前时间。其计算公式为：

$\mathrm{MTTFF}=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{FFT}\left(i\right)/\mathrm{TN}---\left(1\right)$

说明：如果第k次仿真中系统未发生故障，取单次仿真总时长作为FFT(k)替代值进行计算，所以，如若要得到MTTFF的精确值，必须将仿真时长设得足够大，通常取3倍的MTTFF。

b)Am：系统平均可用度。其计算公式为：

$\mathrm{Am}=1-\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DT}\left(i\right)/(\mathrm{ST}\×\mathrm{TN})---\left(2\right)$

c)A(t)：系统点可用度。其计算公式为：

$A\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SS}(i,t)/\mathrm{TN}---\left(3\right)$

d)NF：系统平均故障次数。其计算公式为：

$\mathrm{NF}=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SF}\left(i\right)/\mathrm{TN}---\left(4\right)$

e)R(t)：系统可靠度。其计算公式为：

$R\left(t\right)=1-\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{FE}(i,t)/\mathrm{TN}---\left(5\right).$

本发明与现有技术相比有如下优点：

第一，该模型(具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型)具有更良好的通用性，更接近现实复杂系统，具有较强的贮备系统表达能力。

第二，该方法(具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型的可靠性仿真算法)能够准确高效的预计和估算含有贮备系统的产品的可靠性。

第三，本方法采用事件驱动，时间推进机制，与产品的实际任务剖面基本一致(除特殊环境外)。

第四，模型能够很方便的转换为计算机语言，便于软件程序的开发。

附图说明

图1为具有表决功能的可修混合公共贮备模型图；

图2为“仿真主模块”流程图；

图3为“第一次抽样处理”流程图；

图4为“事件表处理”流程图；

图5为“开关处理部件故障”流程图；

图6为“开关处理部件修复”流程图；

图7为“开关处理上位请求”流程图；

图8为“开关延时事件”流程图；

图9为“开关重启事件”流程图；

图10为“开关修复事件”流程图；

图11为“开关故障事件”流程图；

图12为停机事件处理流程图；

图13为本发明流程框图。

图2至图12中的符号说明：

C_i：第i个部件ID，i＝1，2，3…n；

S：开关；

Stype、Ra，Rb，Rc：分别表示部件备用寿命分布函数类型及参数；

Ts：临时抽样的部件或开关的寿命、维修时间；

Status：部件或开关的状态，其值取0表示故障，1表示正常，2表示维修中，3表示备用，4表示延时(专门用于开关，指开关正处于切换延时中，或者重启延时中的状态)；

WorkStyle：部件的工作性质，WorkStyle＝1时，部件为首发工作件，WorkStyle＝2时，部件为备用件；

StandbyType：部件备用类型，StandbyType＝1时，部件为冷备件，StandbyType＝2时，部件为温备件，StandbyType＝3时，部件为热备件；

RestoreWork：部件修复后是否立即工作(只针对首发件)。RestoreWork＝0时，部件修复后不立恢复工作，RestoreWork＝1时，部件修复后立即恢复工作；

LL：部件的剩余寿命，在状态切换时使用；

WL、HL：分别指温备件的温寿命和热寿命，即备用和工作状态下寿命；

表示温备件由备份状态切换为工作状态时，剩余寿命的折算因子；

表示温备件由工作状态切换为备份状态时，剩余寿命的折算因子；

Ci.WL、Ci.HL分别表示温备件的温寿命和热寿命，是分别按部件在备用状态下和正常工作下的寿命分布函数抽样生成的部件寿命，并且满足条件：Ci.WL＞Ci.HL。η₁和η₂的计算公式分别是

和这两个折算因子分别用在温备件由备用态切换至工作态和由工作态切换至备用态时的剩余寿命Ci.LL的计算。

S.PRes：开关允许重启次数；

S.CRes：开关当前重启次数；

S.SProb：开关切换成功概率；

S.DT：开关切换延迟时间；

S.Fail：开关失效变量，用于记录开关在切换状态时发生的监测状态概率失效；S.Fail为开关立即故障变量，此变量用来记录开关在延时状态下，即正在切换动作中时，遇到开关监测状态概率抽样故障的发生。此时，为了将此故障事件延迟至开关切换动作结束后，将该变量置为1，在开关切换动作完毕后，通过判断该变量值便可知道开关动作过程中是否发生监测状态概率性失效。

S.CE(1-3)：开关当前处理事件信息数组，其中S.CE(1)指当前事件类型，包括：S.CE(1)＝1时，当前事件为紧急上位事件，即当工作件故障时，开关切换至备件使其替代故障件进行工作；S.CE(1)＝2时，当前事件为直接上位事件，即当部件修复后，若系统需要或者修复件为须立即投入工作的首发件，则该修复件直接工作，不进行替换；S.CE(1)＝3时，当前事件为强行上位事件，该事件只针对首发件，即当其修复后，若它须工作而当前工作件数量为上限值R时，则该件将替换正在工作中任一备件进行工作，后者进入备用状态。S.CE(2)是指被替换的部件。S.CE(3)指顶替而上进行工作的部件。

S.RWQ：开关待处理修复部件数组。S.RWQ(i)指第i个待处理的修复部件。

ES(ET，CS，Etype)_i，事件数组，其中，ET为事件时间；CS为产生该事件的部件；Etype为部件类型(Etype＝0代表故障事件；Etype＝1代表修复事件；Etype＝2代表开关延时结束事件；Etype＝3代表重启事件)。

ST：单次仿真总时长；

CT：系统当前时间；

TN：仿真总次数；

SN：当前仿真次数；

Seed：仿真种子数；

FFT(i)：第i次仿真中首次故障发生前的时间；

DT(i)：第i次仿真中系统总停机时间；

SS(i，t)：第i次仿真中t时刻时系统的状态，SS(i，t)＝1表示系统正常，SS(i，t)＝0表示系统失效；

SF(i)：第i次仿真中系统失效次数总和；

FE(i，t)：第i次仿真中t时刻前，系统是否发生过故障，FE(i，t)＝1表示发生过，FE(i，t)＝0表示未发生过。

具体实施方式

本发明一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型及可靠性仿真算法，其模型如图1所示；其可靠性仿真算法流程共11个模块组成，其中一个主模块，如图2所示，其他均为调用模块，如图3至图12所示，各调用模块之间也存在调用关系。

N/R/K系统仿真采用事件驱动，时间推进机制，大体算法流程如下：首先通过抽样生成各部件及开关的首次故障事件，按时间顺序处理每个事件，在事件处理过程中，又会抽样生成各部件和开关的维修、故障事件及对各统计量的积累，事件推进处理直至时间抵达仿真时间为止。将上述过程重复仿真数次后，对各统计量进行计算以得到相关的可靠性指标。

见图13，本发明一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型及可靠性仿真算法，其具体实施流程如下：

步骤1，使用者根据部件的性质和部件的性能参数指标输入部件信息，并根据所要求精度输入单次仿真时间和仿真次数，计算机读取部件信息和仿真信息：C_i，S，Ftype，Fa，Fb，Fc，Rtype，Ra，Rb，Rc，Stype，Sa，Sb，Sc，WorkStyle，StandbyType，Restore Work，S.PRes，S.SProb，ST，TN；

步骤2，将当前仿真次数SN置为0，初始化仿真程序；

步骤3，仿真次数加1，SN＝SN+1；

步骤4，初始化各部件的仿真数据，并对各部件进行第一次故障抽样，抽样方法采用直接抽样的方法，即反函数法，产生事件数组ES(ET，CS，Etype)，并将其按时间顺序排列。调用“第一次抽样处理”模块，其流程如图3所示，步骤如下：

①令i＝1；

②取出部件Ci，其是否为首发件？是，置部件Ci状态为“正常工作”，转③；否则，置部件Ci状态为“备份”，转⑤；

③部件Ci备份性质是否为冷？是，抽样其故障时间，即剩余寿命Ci.LL，将其记录到事件数组中，转⑥；否则，转④；

④部件Ci备份性质是否为温？是，抽样其温寿命Ci.WL和热寿命Ci.HL，并计算两类折算因子η₁和η₂，若部件状态为“正常工作”则将其热寿命作为其故障时间记录到事件数组中，若部件状态为“备份”则将其温寿命作为故障时间记录到事件数组中，转⑥；否则，即其备份性质为热，抽样其故障时间Ci.LL，将其写入事件表中，转⑥。其中要求Ci.WL＞Ci.HL；η₁和η₂的计算公式分别是

和这两个折算因子分别用在温备件由备用态切换至工作态和由工作态切换至备用态时的剩余寿命Ci.LL的计算。

⑤部件Ci备份性质是否为冷？是，转⑥；否则，转④；

⑥i＜N？是，i＝i+1，转②；否则，转⑦；

⑦结束。

步骤5，从步骤4已经排列好的事件中取出事件数组中的第一个事件ES(ET，EC，Etype)1，并调用“事件表处理”模块处理该事件，其流程如图4所示，步骤如下：

①从事件数组中读取一条新的“事件记录”ES(ET，CS，Etype)_i，把系统当前时间CT置为ET；

②根据事件主体以及事件的类型调用不同的事件处理模块：

a)判断CS部件是否为开关？是，转c)；否则转b)；

b)判断该事件是否为故障事件(Etype＝0？)？是，调用“开关处理部件故障”模块(如图5)处理ESi，然后转③。否则，判断该事件是否为修复事件(Etype＝1？)？是，调用“开关处理部件修复”模块(如图6)处理ESi，然后转③；否则，转③；

c)判断该事件是否为故障事件(Etype＝o？)？是，调用“开关故障事件”模块(如图11)处理ESi，然后转③。否则，判断该事件是否为修复事件(Etype＝1？)？是，调用“开关修复事件”模块(如图10)处理ESi，然后转③；否则，转d)；

d)判断该事件是否为开关延时结束事件(Etype＝2？)？是，调用“开关延时事件”模块(如图8)处理ESi，然后转③；否则，调用“开关重启事件”模块(如图9)处理ESi，然后转③。

③判断N/R/K系统是否失效，若失效调用“停机事件处理”模块(如图12)；

④对相关可靠性指标统计量FFT(i)、DT(i)、SS(i，t)、SF(i)、FE(i，t)进行积累；

⑤按时间顺序取出事件表中的下一个事件ES(ET，CS，Etype)_i+1，若下一个事件的发生时间大于仿真总时长，即ET＞ST，则转⑥，否则，转①；

⑥结束。

调用模块的内容如下：

“开关处理部件故障”模块(如图5)的流程如下：(i)抽样生成该故障部件的维修时间，生成事件ES(CT+Ts，Cx，1)，并将其加入事件表中；(ii)故障部件发生故障前状态是否为“备份”？是，转(viii)；(iii)开关状态时否为“延时”？是，转(iv)；否则，转(vi)；(iv)开关当前处理事件是否为“强行上位事件”？是，转(v)；否则，转(viii)；(v)将开关当前处理事件类型改为“直接上位事件”，转(viii)；(vi)N/R/K系统是否失效？是，转(vii)；否则，转(viii)；(vii)开关是否处于维修状态？是，转(viii)；否则，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为1；(viii)结束。

“开关处理部件修复”模块(如图6)的流程如下：(i)开关状态若为“延时”或“维修”，则将该修复部件写入“开关待处理修复部件数组”S.RWQ中，转(vi)；(ii)N/R/K系统是否失效？是，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为直接上位，转(vi)；否则，转(iii)；(iii)修复件的工作性质是否首发件？是，转(iv)；否则，将修复件状态改为备份，进行备份件首次抽样处理，转(vi)；(iv)修复件修复后是否继续工作？是，转(v)；否则，将修复件状态改为备份，进行备份件首次抽样处理，转(vi)；(v)当前工作件数量是否达到首发件总和？是，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为强行上位；否则，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为直接上位；(vi)结束。

“开关处理部件故障”模块、“开关处理部件修复”模块和“开关修复事件”模块中所涉及的“开关处理上位请求”模块(如图7)的流程如下：(i)是否紧急上位事件？是，转(ii)；否则，转(iii)；(ii)是否有备件可用？是，记录“开关当前处理事件”，转(iv)；否则，转(ix)；(iii)替换件是否为空？是，转(ix)；否则，根据上位类型分别记录“开关当前处理事件”，转(iv)；(iv)将开关状态设置为“延时”；(v)根据开关动作成功概率抽样开关切换是否成功？是，转(vi)；否则，转(vii)；(vi)开关动作延迟时间是否大于0？是，生成开关相应的延时事件，写入事件表中，转(ix)；否则，立即调用“开关延时事件”，转(ix)；(vii)开关允许重启次数是否大于0？是，转(viii)；否则，开关设置为维修态，抽样开关维修事件，写入事件表中，转(ix)；(viii)开关动作延迟时间是否大于0？是，生成相应的开关重启事件，转(ix)；否则，立即调用“开关重启事件”；(ix)结束。

“开关延时事件”模块(如图8)的流程如下：(i)开关当前处理事件类型是否为“强行上位”？是，将被换件置为备份状态，并且依据其冷、温、热不同性质，进行故障时间的折算，进而删除或者替换事件表中原有的该部件的事件记录，具体参见“开关处理上位请求”模块；否则，转(ii)；(ii)将替换件置为工作态，并且依据其冷、温、热不同性质，生成或者折算其故障时间，并添加或者替换事件记录，具体参见“开关处理上位请求”模块。转(iii)；(iii)将开关状态置为“正常”，清空开关当前处理事件数组。转(iv)；(iv)开关立即故障变量S.Fail是否为0？是，调用“开关修复事件”模块，转(v)；否则，开关故障，抽样生成开关维修事件，写入事件表，并将S.Fail值置为0；(v)结束。

“开关重启事件”模块(如图9)的流程如下：(i)开关当前重启次数加1，开关立即失效变量是否为1？是，开关故障，抽样生成开关维修事件，写入事件表中，并将立即故障变量和开关当前重启次数置为0，转(vi)；否则，转(ii)；(ii)根据开关动作概率抽样开关切换是否成功？是，转(iii)；否则，转(iv)；(iii)开关动作延迟时间是否大于0？是，生成开关延时事件，写入事件表，清空开关当前重启次数，转(vi)；否则，立即调用“开关延时事件”模块，清空当前重启次数，转(vi)；(iv)开关当前重启次数是否等于允许次数？是，开关故障，抽样生成维修事件，写入事件表，清空开关当前重启次数，转(vi)；否则，转(v)；(v)开关是否延时？是，生成开关重启事件，写入事件表，转；否则，转(i)；(vi)结束

“开关修复事件”模块(如图10)的流程如下：(i)开关状态置为“正常”，开关当前处理事件信息数组是否为空？是，转(ii)；否则，转(iii)；(ii)开关待处理修复部件数组是否为空？是，转(v)；否则，调用“开关处理部件修复”模块按开关待处理修复部件的优先级别分别予以处理，转(v)；(iii)开关待处理部件修复事件数组是否为空？是，调用“开关处理上位请求”模块处理开关当前事件，转(v)；否则，转(iv)；(iv)开关当前处理事件中的替换件是否修复后继续工作？是，调用“开关处理上位请求”模块处理当前事件，转(v)；否则，调用“开关处理部件修复”模块按开关待处理修复部件的优先级别分别予以处理，转(v)；(v)贮备系统是否失效？是，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为1；否则，转(vi)；(vi)结束。

(i)(ii)(iii)(iv)(v)(vi)(vii)(viii)(ix)

“开关故障事件”模块(如图11)的流程如下：(i)开关是否为“延时”状态？是，将开关立即故障变量置为1；否则，开关故障，抽样生成开关的维修事件，写入事件表；(ii)结束

“停机事件处理”模块(如图12)的流程如下：(i)找到CT时刻后最早的非故障事件ESi；(ii)计算出仿真当前时间与该时刻后最早的非故障事件发生的时间差(T＝ET-CT)；(iii)将CT时刻后所有故障事件发生的时间均向后延迟T；(iv)结束。

步骤6，当前仿真次数是否小于总仿真次数，SN＜TN？，若是，转步骤3；否则，转步骤7，停止仿真循环；

步骤7，可靠性指标计算

a)系统平均首次故障前时间： $\mathrm{MTTFF}=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{FFT}\left(i\right)/\mathrm{TN}---\left(1\right)$

b)系统平均可用度： $\mathrm{Am}=1-\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DT}\left(i\right)/(\mathrm{ST}\×\mathrm{TN})---\left(2\right)$

c)系统点可用度： $A\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SS}(i,t)/\mathrm{TN}---\left(3\right)$

d)系统平均故障次数： $\mathrm{NF}=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SF}\left(i\right)/\mathrm{TN}---\left(4\right)$

e)系统可靠度： $R\left(t\right)=1-\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{FE}(i,t)/\mathrm{TN}---\left(5\right).$

步骤8，结束。

Claims (10)

1.具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型的可靠性仿真算法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤1，读取部件信息和仿真信息：C_i，S，Ftype，Fa，Fb，Fc，Rtype，Ra，Rb，Rc，Stype，Sa，Sb，Sc，WorkStyle，StandbyType，RestoreWork，S.PRes，S.SProb，ST，TN；

步骤2，将当前仿真次数SN置为0；

步骤3，仿真次数加1，SN＝SN+1；

步骤4，初始化各部件的仿真数据，并对各部件进行第一次故障抽样，产生事件数组ES(ET，CS，Etype)，将其按时间顺序排列，并进行“第一次抽样处理”，其流程如下：

①令i＝1；

②取出部件Ci，其是否为首发件？是，置部件Ci状态为“正常工作”，转③；否则，置部件Ci状态为“备份”，转⑤；

③部件Ci备份性质是否为冷？是，抽样其故障时间，即剩余寿命Ci.LL，将其记录到事件数组中，转⑥；否则，转④；

④部件Ci备份性质是否为温？是，抽样其温寿命Ci.WL和热寿命Ci.HL，并计算两类折算因子η₁和η₂，若部件状态为“正常工作”则将其热寿命作为其故障时间记录到事件数组中，若部件状态为“备份”则将其温寿命作为故障时间记录到事件数组中，转⑥；否则，即其备份性质为热，抽样其故障时间Ci.LL，将其写入事件表中，转⑥；

⑤部件Ci备份性质是否为冷？是，转⑥；否则，转④；

⑥i＜N？是，i＝i+1，转②；否则，转⑦；

⑦结束；

步骤5，取出事件数组中的第一个事件ES(ET，EC，Etype)1，并调用“事件表处理”处理该事件，其流程如下：

①读取一条新的“事件记录”ES(ET，CS，Etype)_i，把系统当前时间CT置为ET；

②根据事件主体以及事件的类型调用不同的事件处理模块：

a)判断CS部件是否为开关？是，转c)；否则转b)；

b)判断该事件是否为故障事件？即Etype＝0？，是，调用“开关处理部件故障”模块处理ESi，然后转③；否则，判断该事件是否为修复事件？即Etype＝1？，是，调用“开关处理部件修复”模块处理ESi，然后转③；否则，转③；

c)判断该事件是否为故障事件？即Etype＝o？是，调用“开关故障事件”模块处理ESi，然后转③；否则，判断该事件是否为修复事件？即Etype＝1？，是，调用“开关修复事件”模块处理ESi，然后转③；否则，转d)；

d)判断该事件是否为开关延时结束事件？即Etype＝2？，是，调用“开关延时事件”模块处理ESi，然后转③；否则，调用“开关重启事件”模块处理ESi，然后转③；

③判断N/R/K系统是否失效，若失效则进行“停机事件处理”；

④对相关可靠性指标统计量FFT(i)、DT(i)、SS(i，t)、SF(i)、FE(i，t)进行积累；

⑤按时间顺序取出事件表中的下一个事件ES(ET，CS，Etype)_i+1，若下一个事件的发生时间大于仿真总时长，即ET＞ST，则转⑥，否则，转(i)；

⑥结束；

步骤6，当前仿真次数是否小于总仿真次数，SN＜TN？，若是，转③；否则，转⑦；

步骤7，可靠性指标计算；

步骤8，结束。

2.根据权利要求1所述的一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型的可靠性仿真算法，其特征在于：步骤5中所述的“开关处理部件故障”模块的流程如下：(i)抽样生成该故障部件的维修时间，生成事件ES(CT+Ts，Cx，1)，并将其加入事件表中；(ii)故障部件发生故障前状态是否为“备份”？是，转(viii)，否则转(iii)；(iii)开关状态是否为“延时”？是，转(iv)；否则，转(vi)；(iv)开关当前处理事件是否为“强行上位事件”？是，转(v)；否则，转(viii)；(v)将开关当前处理事件类型改为“直接上位事件”，转(viii)；(vi)N/R/K系统是否失效？是，转(vii)；否则，转(viii)；(vii)开关是否处于维修状态？是，转(viii)；否则，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为1；(viii)结束。

3.根据权利要求1所述的一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型的可靠性仿真算法，其特征在于：步骤5中所述的“开关处理部件修复”模块的流程如下：(i)开关状态若为“延时”或“维修”，则将该修复部件写入“开关待处理修复部件数组”S.RWQ中，转(vi)；(ii)N/R/K系统是否失效？是，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为直接上位，转(vi)；否则，转(iii)；(iii)修复件的工作性质是否首发件？是，转(iv)；否则，将修复件状态改为备份，进行备份件首次抽样处理，转(vi)；(iv)修复件修复后是否继续工作？是，转(v)；否则，将修复件状态改为备份，进行备份件首次抽样处理，转(vi)；(v)当前工作件数量是否达到首发件总和？是，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为强行上位；否则，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为直接上位；(vi)结束。

4.根据权利要求2和3所述的“开关处理上位请求”模块，其特征在于：其流程如下：(i)是否紧急上位事件？是，转(ii)；否则，转(iii)；(ii)是否有备件可用？是，记录“开关当前处理事件”，转(iv)；否则，转(ix)；(iii)替换件是否为空？是，转(ix)；否则，根据上位类型分别记录“开关当前处理事件”，转(iv)；(iv)将开关状态设置为“延时”；(v)根据开关动作成功概率抽样开关切换是否成功？是，转(vi)；否则，转(vii)；(vi)开关动作延迟时间是否大于0？是，生成开关相应的延时事件，写入事件表中，转(ix)；否则，立即调用“开关延时事件”，转(ix)；(vii)开关允许重启次数是否大于0？是，转(viii)；否则，开关设置为维修态，抽样开关维修事件，写入事件表中，转(ix)；(viii)开关动作延迟时间是否大于0？是，生成相应的开关重启事件，转(ix)；否则，立即调用“开关重启事件”；(ix)结束。

5.根据权利要求1所述的一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型的可靠性仿真算法，其特征在于：步骤5中所述的“开关延时事件”模块的流程如下：(i)开关当前处理事件类型是否为“强行上位”？是，将被换件置为备份状态，并且依据其冷、温、热不同性质，进行故障时间的折算，进而删除或者替换事件表中原有的该部件的事件记录；否则，转(ii)；(ii)将替换件置为工作态，并且依据其冷、温、热不同性质，生成或者折算其故障时间，并添加或者替换事件记录，转(iii)；(iii)将开关状态置为“正常”，清空开关当前处理事件数组，转(iv)；(iv)开关立即故障变量S.Fail是否为0？是，调用“开关修复事件”模块，转(v)；否则，开关故障，抽样生成开关维修事件，写入事件表，并将S.Fail值置为0；(v)结束。

6.根据权利要求1所述的一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型的可靠性仿真算法，其特征在于：步骤5中所述的“开关重启事件”模块的流程如下：(i)开关当前重启次数加1，开关立即失效变量是否为1？是，开关故障，抽样生成开关维修事件，写入事件表中，并将立即故障变量和开关当前重启次数置为0，转(vi)；否则，转(ii)；(ii)根据开关动作概率抽样开关切换是否成功？是，转(iii)；否则，转(iv)；(iii)开关动作延迟时间是否大于0？是，生成开关延时事件，写入事件表，清空开关当前重启次数，转(vi)；否则，立即调用“开关延时事件”模块，清空当前重启次数，转(vi)；(iv)开关当前重启次数是否等于允许次数？是，开关故障，抽样生成维修事件，写入事件表，清空开关当前重启次数，转(vi)；否则，转(v)；(v)开关是否延时？是，生成开关重启事件，写入事件表，转；否则，转(i)；(vi)结束。

7.根据权利要求1所述的一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型的可靠性仿真算法，其特征在于：步骤5中所述的“开关修复事件”模块的流程如下：(i)开关状态置为“正常”，开关当前处理事件信息数组是否为空？是，转(ii)；否则，转(iii)；(ii)开关待处理修复部件数组是否为空？是，转(v)；否则，调用“开关处理部件修复”模块按开关待处理修复部件的优先级别分别予以处理，转(v)；(iii)开关待处理部件修复事件数组是否为空？是，调用“开关处理上位请求”模块处理开关当前事件，转(v)；否则，转(iv)；(iv)开关当前处理事件中的替换件是否修复后继续工作？是，调用“开关处理上位请求”模块处理当前事件，转(v)；否则，调用“开关处理部件修复”模块按开关待处理修复部件的优先级别分别予以处理，转(v)；(v)贮备系统是否失效？是，调用“开关处理上位请求”模块，上位类型为1；否则，转(vi)；(vi)结束。

8.根据权利要求1所述的一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型的可靠性仿真算法，其特征在于：步骤5中所述的“开关故障事件”模块的流程如下：(i)开关是否为“延时”状态？是，将开关立即故障变量置为1；否则，开关故障，抽样生成开关的维修事件，写入事件表；(ii)结束。

9.根据权利要求1所述的一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型的可靠性仿真算法，其特征在于：步骤5中所述的“停机事件处理”模块的流程如下：(i)找到CT时刻后最早的非故障事件ESi；(ii)计算出仿真当前时间与该时刻后最早的非故障事件发生的时间差T＝ET-CT；(iii)将CT时刻后所有故障事件发生的时间均向后延迟T；(iv)结束。

10.根据权利要求1所述的一种具有表决功能的可修混合公共贮备系统模型的可靠性仿真算法，其特征在于：步骤7中所述的可靠性指标有以下几个：

a)MTTFF：系统平均首次故障前时间，其计算公式为：

$\mathrm{MTTFF}=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{FFT}\left(i\right)/\mathrm{TN}---\left(1\right)$

如果第k次仿真中系统未发生故障，取单次仿真总时长作为FFT(k)替代值进行计算，所以，若要得到MTTFF的精确值，必须将仿真时长设得足够大，通常取3倍的MTTFF；

b)Am：系统平均可用度，其计算公式为：

$\mathrm{Am}=1-\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DT}\left(i\right)/(\mathrm{ST}\×\mathrm{TN})---\left(2\right)$

c)A(t)：系统点可用度，其计算公式为：

$A\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SS}(i,t)/\mathrm{TN}---\left(3\right)$

d)NF：系统平均故障次数，其计算公式为：

$\mathrm{NF}=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SF}\left(i\right)/\mathrm{TN}---\left(4\right)$

e)R(t)：系统可靠度，其计算公式为：

$R\left(t\right)=1-\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{FE}(i,t)/\mathrm{TN}---\left(5\right).$

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