CN105260555A - 一种基于Modelica模型的故障注入系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Modelica模型的故障注入系统及其方法，包括基于Modelica的系统模型库、模型管理模块、故障模式库、故障模式管理模块、故障参数编辑模块以及故障注入模块；本发明通过Modelica中的可扩展语义annotation，将正常工况的模型参数标记为故障参数，然后将故障参数保存在故障模式中，从而建立故障模式与系统模型间的映射关系，这种映射关系不影响正常模型的行为；再通过注入不同的故障模式到内存的系统模型对象中来产生不同的故障模型，从而模拟不同的故障情况。本发明的这种故障注入的方式很好的解决了模型的一致性、可重用性和可维护性的问题，大大的降低了故障仿真的复杂性。

Description

一种基于Modelica模型的故障注入系统及其方法

技术领域

本发明属于复杂机电系统故障仿真领域，具体涉及一种针对复杂机电系统的的基于Modelica模型的故障注入系统及其方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，复杂机电产品的结构越来越复杂，其各个分系统纵横交错相互耦合。例如在航天、航空、汽车、船舶等系统中，某个零件的失效可能会引起巨大的损失，提高可靠性是各个复杂机电系统的重要问题，故障仿真是一种提高可靠性设计的重要方法。

在复杂机电系统的系统仿真过程中，由于系统结构极其复杂，一个系统可能包含若成千上万个元器件，而且涉及机、电、液、控等多领域的系统知识，使得模型也自身非常复杂。而复杂机电系统的故障也是多种多样的，每个元器件可能就对应许多个故障模式，整个系统也可能包含成千上万个故障模式。

如果要在复杂的机电系统中去仿真不同的故障模式，传统的做法是需要不断的修改系统模型，形成多套的故障模型。这样就为模型的维护带来了巨大的挑战，难以保持模型一致性，难以修改和扩展模型行为，而且效率十分低下。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明旨在提供一种基于Modelica模型的故障注入系统及其方法，可以根据不同的故障模式，动态地将需要仿真的故障注入到模型中，动态生成故障模型，从而保持系统模型的一致性、重用性和易维护性。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于Modelica模型的故障注入系统，包括基于Modelica的系统模型库、模型管理模块、故障模式库、故障模式管理模块、故障参数编辑模块以及故障注入模块；

所述系统模型库分别连接所述模型管理模块和所述故障模式库，所述故障模式库连接所述故障模式管理模块，所述故障模式管理模块连接所述故障参数编辑模块，所述故障参数编辑模块连接所述故障注入模块，所述故障注入模块和所述模型管理模块分别与内存连接；

所述系统模型库用以存储和编辑系统模型，其具备如下两个功能：

a、所述系统模型基于多领域统一建模语言Modelica建立，支持机电液控多领域的系统仿真；所述系统模型依据对象的物理拓扑结构拆分为分系统、组件或元器件，每个所述组件或所述元器件包含有能描述该组件或元器件行为的参数、变量和数学方程；

b、编辑模型功能，主要用于编辑所述系统模型库中的所述系统模型，为所述系统模型增加annotation注解信息；

所述模型管理模块用于管理所述系统模型，其具备如下两个功能：

a、将所述系统模型加载到内存中，通过解析所述系统模型，生成系统模型对象（也称内存模型）；

b、编译和扫描内存中的所述系统模型对象；

所述故障模式库用以存储故障模式，每条所述故障模式记录包含以下两类信息：

a、标准的故障模式信息，包括故障模式名、故障原因、故障后果、故障影响性分析、故障严酷度和故障发生概率；

b、与描述故障模式和系统模型映射关系的信息，包括故障参数名和故障模式触发条件；

所述故障模式管理模块用于对所述故障模式库进行管理和维护，包括故障模式的构建、浏览、编辑和查找；

所述故障参数编辑模块用于编辑故障参数的取值和注入条件；例如针对某阀门的故障参数-开度，可以设定阀门开度的取值，也可以通过参数编辑模块设定注入条件，如仿真到多少时间时注入；

所述故障注入模块用于负责将故障模式中的故障参数值写入到内存当中的系统模型对象中，其功能为提取故障模式的故障参数，并且找到所述系统模型中对应的故障参数，将故障参数的值写入到内存当中的所述系统模型对象中，完成故障注入，生成故障模型。

一种基于Modelica模型的故障注入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤0）建立基于统一建模语言Modelica的系统模型，并存储在系统模型库中；

步骤1）通过所述系统模型库中的编辑功能，为所述系统模型中的参数添加annotation注解，标注为故障参数；

步骤2）通过模型管理模块将所述系统模型加载到内存中，通过解析所述系统模型，生成所述系统模型的系统模型对象；

步骤3）在加载所述系统模型的过程中，通过所述模型管理模块扫描所述系统模型信息，提取所述系统模型中标记有特殊annotation注解的参数；

步骤4）新建或编辑故障模式，填写故障模式的基本信息，并将故障模式存储在故障模式库中；

步骤5）故障模式管理模块在新建的故障模式中选择一个步骤3中产生的且关联的故障参数，则完成了一条故障模式；

步骤6）注入前，故障参数编辑模块选取建立好的故障模式，修改其故障参数的取值和注入条件；

步骤7）故障注入模块根据故障模式中故障参数的全名，查找到内存当中所述系统模型对象中的对应的参数位置；

步骤8）修改内存当中所述系统模型对象中参数的值和取值条件，完成故障注入，生成故障模型。

进一步的，步骤4中，所述的基本信息包括故障模式名、故障原因、故障影响、故障严酷度和故障发生概率。

进一步的，步骤6中，所述的注入条件为指定的时刻或指定的运行状态。

本发明的有益效果是：

本发明通过Modelica中的可扩展语义annotation，将正常工况的模型参数标记为故障参数，然后将故障参数保存在故障模式中，从而建立故障模式与系统模型间的映射关系，这种映射关系不影响正常模型的行为；再通过注入不同的故障模式到内存的系统模型对象中来产生不同的故障模型，从而模拟不同的故障情况。本发明的这种故障注入的方式很好的解决了模型的一致性、可重用性和可维护性的问题，大大的降低了故障仿真的复杂性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的故障注入系统的功能组成示意图；

图2为本发明的故障注入方法的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参见图1所示，一种基于Modelica模型的故障注入系统，包括基于Modelica的系统模型库1、模型管理模块2、故障模式库3、故障模式管理模块4、故障参数编辑模块5以及故障注入模块6；

所述系统模型库1分别连接所述模型管理模块2和所述故障模式库3，所述故障模式库3连接所述故障模式管理模块4，所述故障模式管理模块4连接所述故障参数编辑模块5，所述故障参数编辑模块5连接所述故障注入模块6，所述故障注入模块6和所述模型管理模块2分别与内存连接；

所述系统模型库1用以存储和编辑系统模型，其具备如下两个功能：

a、存储系统模型，所述系统模型基于统一建模语言Modelica建立，支持机电液控领域的系统仿真；所述系统模型依据对象的物理拓扑结构拆分为分系统、组件或元器件，每个所述组件或所述元器件包含有能描述该组件或元器件行为的参数、变量和数学方程；

b、编辑模型功能，主要用于编辑所述系统模型库1中的模型，为模型增加annotation注解信息；

所述模型管理模块2用于管理所述系统模型，其具备如下两个功能：

a、将所述系统模型加载到内存中，通过解析所述系统模型，生成系统模型对象7；

b、编译和扫描内存中的所述系统模型对象7；

所述故障模式库3用以存储故障模式，每条所述故障模式记录包含以下两类信息：

a、标准的故障模式信息，包括故障模式名、故障原因、故障后果、故障影响性分析、故障严酷度和故障发生概率；

b、与描述故障模式和系统模型映射关系的信息，包括故障参数名和故障模式触发条件；

所述故障模式管理模块4用于对所述故障模式库进行管理和维护，包括故障模式的构建、浏览、编辑和查找；

所述故障参数编辑模块5用于编辑故障参数的取值和注入条件；

所述故障注入模块6用于负责将故障模式中的故障参数值写入到内存当中的系统模型对象7中，其功能为提取故障模式的故障参数，并且找到所述系统模型中对应的故障参数，将故障参数的值写入到内存当中的所述系统模型对象7中，完成故障注入，生成故障模型8。

一种基于Modelica模型的故障注入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤0）建立基于统一建模语言Modelica的系统模型，并存储在系统模型库1中；所述系统模型是正常的工况模型，可以仿真模拟某系统在正常工况下的行为表现；

步骤1）通过所述系统模型库1中的编辑功能，为所述系统模型中的参数添加annotation注解，标注为故障参数；

步骤2）通过模型管理模块2将所述系统模型加载到内存中，通过解析所述系统模型，生成所述系统模型的系统模型对象7；

步骤3）在加载所述系统模型的过程中，通过所述模型管理模块2扫描所述系统模型信息，提取所述系统模型中标记有特殊annotation注解的参数；

步骤4）新建或编辑故障模式，填写故障模式的基本信息，并将故障模式存储在故障模式库3中；所述的基本信息包括故障模式名、故障原因、故障影响、故障严酷度和故障发生概率等；

步骤5）故障模式管理模块4在新建的故障模式中选择一个步骤3中产生的且关联的故障参数，则完成了一条故障模式；

步骤6）注入前，故障参数编辑模块5选取建立好的故障模式，修改其故障参数的取值和注入条件；所述的注入条件可以为指定的时刻或指定的运行状态等；

步骤7）故障注入模块6根据故障模式中故障参数的全名，查找到内存当中所述系统模型对象7中的对应的参数位置；

步骤8）修改内存当中所述系统模型对象7中参数的值和取值条件，完成故障注入，生成故障模型8。

实施例

步骤0）建立基于Modelica的管道模型，并存储在系统模型库中；所述管道模型的文本如下：

步骤1）为所述管道模型中的参数添加annotation注解，标注为故障参数；由所述管道模型的文本可见，其中leak参数被增加了annotaiton(__Mworks(FaultInfo(FaultParameter)))；

步骤2）通过模型管理模块将所述管道模型加载到内存中，通过解析所述管道模型，生成所述管道模型的管道模型对象；

步骤3）通过模型管理模块，扫描所有的注解信息，提取所述管道模型中标记有特殊annotation注解的参数；

步骤4）新建或编辑故障模式，填写故障模式的基本信息，并将故障模式存储在故障模式库中；

步骤5）故障模式管理模块在新建的故障模式中选择一个步骤3中产生的且关联的故障参数，则完成了一条故障模式；所述故障模式的文本如下：

步骤6）注入前，故障参数编辑模块选取建立好的故障模式，修改其故障参数的取值和注入条件；由故障模式的文本可见，其中leak的配置Value=0.2，time>10s时触发；

步骤7）故障注入模块根据故障模式中故障参数的全名，查找到内存当中所述管道模型对象中的对应的参数位置；

步骤8）修改内存当中所述管道模型对象中参数的值和取值条件，完成故障注入，生成故障模型。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于Modelica模型的故障注入系统，其特征在于：包括基于Modelica的系统模型库（1）、模型管理模块（2）、故障模式库（3）、故障模式管理模块（4）、故障参数编辑模块（5）以及故障注入模块（6）；

所述系统模型库（1）分别连接所述模型管理模块（2）和所述故障模式库（3），所述故障模式库（3）连接所述故障模式管理模块（4），所述故障模式管理模块（4）连接所述故障参数编辑模块（5），所述故障参数编辑模块（5）连接所述故障注入模块（6），所述故障注入模块（6）和所述模型管理模块（2）分别与内存连接；

所述系统模型库（1）用以存储和编辑系统模型，其具备如下两个功能：

a、存储系统模型，所述系统模型基于统一建模语言Modelica建立，支持机电液控领域的系统仿真；所述系统模型依据对象的物理拓扑结构拆分为分系统、组件或元器件，每个所述组件或所述元器件包含有能描述该组件或元器件行为的参数、变量和数学方程；

b、编辑模型功能，主要用于编辑所述系统模型库（1）中的模型，为模型增加annotation注解信息；

所述模型管理模块（2）用于管理所述系统模型，其具备如下两个功能：

a、将所述系统模型加载到内存中，通过解析所述系统模型，生成系统模型对象（7）；

b、编译和扫描内存中的所述系统模型对象（7）；

所述故障模式库（3）用以存储故障模式，每条所述故障模式记录包含以下两类信息：

a、标准的故障模式信息，包括故障模式名、故障原因、故障后果、故障影响性分析、故障严酷度和故障发生概率；

b、与描述故障模式和系统模型映射关系的信息，包括故障参数名和故障模式触发条件；

所述故障模式管理模块（4）用于对所述故障模式库（3）进行管理和维护，包括故障模式的构建、浏览、编辑和查找；

所述故障参数编辑模块（5）用于编辑故障参数的取值和注入条件；

所述故障注入模块（6）用于负责将故障模式中的故障参数值写入到内存当中的系统模型对象（7）中，其功能为提取故障模式的故障参数，并且找到所述系统模型中对应的故障参数，将故障参数的值写入到内存当中的所述系统模型对象（7）中，完成故障注入，生成故障模型（8）。

2.一种基于Modelica模型的故障注入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤0）建立基于统一建模语言Modelica的系统模型，并存储在系统模型库（1）中；

步骤1）通过所述系统模型库（1）中的编辑功能，为所述系统模型中的参数添加annotation注解，标注为故障参数；

步骤2）通过模型管理模块（2）将所述系统模型加载到内存中，通过解析所述系统模型，生成所述系统模型的系统模型对象（7）；

步骤3）在加载所述系统模型的过程中，通过所述模型管理模块（2）扫描所述系统模型信息，提取所述系统模型中标记有特殊annotation注解的参数；

步骤4）新建或编辑故障模式，填写故障模式的基本信息，并将故障模式存储在故障模式库（3）中；

步骤5）故障模式管理模块（4）在新建的故障模式中选择一个步骤3中产生的且关联的故障参数，则完成了一条故障模式；

步骤6）注入前，故障参数编辑模块（5）选取建立好的故障模式，修改其故障参数的取值和注入条件；

步骤7）故障注入模块（6）根据故障模式中故障参数的全名，查找到内存当中所述系统模型对象（7）中的对应的参数位置；

步骤8）修改内存当中所述系统模型对象（7）中参数的值和取值条件，完成故障注入，生成故障模型（8）。

3.根据权利要求2所述的基于Modelica模型的故障注入方法，其特征在于，步骤4中，所述的基本信息包括故障模式名、故障原因、故障影响、故障严酷度和故障发生概率。

4.根据权利要求2所述的基于Modelica模型的故障注入方法，其特征在于，步骤6中，所述的注入条件为指定的时刻或指定的运行状态。