CN106027285A - 基于业务路径的复杂系统动态故障树建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于业务路径的复杂系统动态故障树建模方法，属于可靠性及安全技术领域。所述方法分析复杂系统，抽象出业务路径，根据业务对象确定故障树顶事件，构建功能时序依赖图；根据功能时序依赖图对动态故障树的转换规则建立故障树。本发明能够有效地对网络化系统的复杂的逻辑关系进行建模，能够灵活地满足工程中对不同器件的可靠性分析需求；同时给出一种流程化的可靠性建模方法，便于工程实际中应用。

Description

基于业务路径的复杂系统动态故障树建模方法

技术领域

本发明提供一种复杂系统可靠性建模方法，属于可靠性及安全(安全系统工程)技术领域。具体地说，是指一种基于业务路径的复杂系统动态故障树建模方法。

背景技术

故障树以图的形式表示事件之间的逻辑关系。利用故障树模型可找出系统可靠性或安全性的潜在薄弱环节，从而改进设计，提高系统的可靠性或安全性，因此在工程实际得到广泛的应用。随着计算机和网络技术的进步，现代工业工程系统正朝着综合化、网络化的方向发展。网络化的系统，由于信息流的作用，使得网络结构间相互耦合、网络构件间功能相互依赖、网络故障相互传播等复杂特性，导致对复杂系统的可靠性建模难以开展。一方面是因为在工程实际中，动态故障树虽然通过引入动态逻辑门来扩展静态故障树的建模能力，支持功能依赖关系以及故障时序相关关系进行建模，但在分析网络化系统时，如何把复杂系统中功能间的逻辑关系通过故障树的方式构建出来缺乏有效的工程方法。另一方面，网络化的系统使得共享的基础设施网络系统能够支持多种不同的业务。不同业务的运行调用基础设施网络中的不同功能，进而使得网络结构间相互耦合。因此，网络化系统中各业务使用相关，存在耦合依赖关系。如何对这些复杂的逻辑关系进行表征在当前的故障树建模中仍然缺乏一种行之有效的方法。

在网络化系统中，基础网络资源提供相关业务所需的支持。反之，业务确定了数据流中软硬件的交互过程以及硬件功能的实现过程。不同的业务对应着不同的数据流程和功能实现过程，亦即业务路径。基于业务的角度建模，就可以在庞大的复杂系统中确定一条分析的路径，通过分析该路径上各器件为该业务所提供的功能关系，就可以确定硬件与硬件、硬件与软件之间相互作用及影响关系。结合器件的失效机制，确定器件提供功能的失效率以及该功能支持多业务时对单一业务的失效率。因而，本发明提供一种基于业务路径的复杂系统动态故障树建模方法，能够解决当前动态故障树对复杂系统建模时存在的问题：在对网络化系统进行动态故障树建模时缺乏一种对结构耦合、功能依赖、故障传播等复杂动态逻辑关系建模的工程化方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决结构耦合、功能依赖和故障传播的综合化、网络化复杂系统的可靠性建模问题，提出一种基于业务路径的动态故障树建模方法，能够有效地对网络化系统的复杂的逻辑关系进行建模，同时给出一种流程化的方法，便于工程实际中应用。

本发明从业务的角度，基于业务路径中软硬件的交互过程以及硬件功能的实现过程对复杂系统进行功能逻辑关系分析。采用分层的思想，对软硬件的功能进行分解以满足分析的需求。构建功能时序依赖图，对其中涉及的故障模式及关系采用故障分类思想进行故障树建模。

本发明提出的功能时序依赖关系图是在传统可靠性框图串并联关系的基础上，增加了对器件间时序关系、依赖关系的支持。其中串并联关系依然采用无向线段来表示，时序关系采用有向线段，表示器件功能故障对系统可靠性的影响是在发生顺序按照由前到后的顺序发生时产生的，而依赖关系采用虚线箭头来表示，表示故障间的相互依赖和影响关系。

所述的基于业务路径的复杂系统动态故障树建模方法，具体流程如下：

步骤一：分析复杂系统，抽象出业务路径。

首先将复杂网络分解为多条端端传输路径，然后选出一条最具有代表性的端端传输路径并将其抽象为最简端端路径，作为业务路径。

所述的最简端端路径包括端系统ES、传输信道和交换机，数据通过端系统ES在传输信道上传输，最后在交换机进行存储和转发。

步骤二：确定故障树顶事件，构建功能时序依赖图。软硬件在不同的顶事件中会提供不同的功能，而功能之间的相互影响方式也会有不同。在确定业务路径(分析对象)后首先要确定所要分析的事件，即故障树顶事件，然后根据分层的思想，首先在系统层面，分析各个器件之间的逻辑关系，即器件间的时间相关性和功能依赖性等；然后在器件层面，分析各个器件所实现的各种功能。根据每个器件所实现的各种业务功能，进行故障以及故障关系的分析与确定，进而构建系统层面和器件层面的功能时序依赖图。

功能时序依赖图绘制原则为：器件属性为(冷、热、温)备件，则与主件之间为并联关系；串并联关系在功能时序依赖图中采用和可靠性功能框图一样的无向连接线“—”来连接；功能间的依赖关系采用虚线箭头表示，虚线箭头始端事件为触发事件，虚线箭头末端事件为相关事件；而时序关系采用有向线段来连接，表明发生顺序是按照由前到后的顺序发生。并需要标注是强时序性关系还是弱时序性关系。强时序性关系为必须且只能按照一种顺序发生，且当所有的事件发生后，系统故障，采用“—>>”来连接；弱时序性关系为可以有多种发生顺序，只有一种关系造成故障，采用”—>”进行连接。

步骤三：归类故障，建立故障树。根据所生成的功能时序依赖图，对故障进行分类处理，不同的故障对应不同的逻辑门或者逻辑门的组合。按照各类器件和功能对顶事件的影响，建立故障树。

功能时序依赖图对动态故障树的转换规则为：

(1)串联关系生成或门；

(2)备件并联关系依据备件属性生成相应的备件门；

(3)依赖关系生成功能依赖门；

(4)弱时序关系生成优先与门；

(5)强时序关系生成顺序相关门；

(6)用户自行添加中间事件信息。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的故障树建模方法，从网络器件的功能出发，有效地避免了复杂系统结构耦合导致的可靠性建模难题。采用分层的思想对器件功能进行建模，能够灵活地满足工程中对不同器件的可靠性分析需求。

(2)本发明提供的基于业务路径的故障树建模方法，是在工程中常用的可靠性框图方法的基础上，对复杂系统的功能依赖特征进行建模，并提供了一套流程化的可靠性建模方法，便于工程人员的应用。

附图说明

图1是系统层的网络可靠性框图。

图2是AFDX端系统功能时序依赖关系图。

图3是AFDX交换机系统功能时序依赖关系图。

图4是A网和B网功能时序依赖关系图。

图5是系统层整网数据有误故障树图。

图6是发送端系统动态故障树图。

图7是交换机系统动态故障树图。

图8是接收端系统动态故障树图。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明做进一步详细说明。

本发明是一种基于动态故障树的航电网络故障分析方法。该故障分析方法考虑当前航电网络软硬件耦合以及故障动态关联的特征，更加真实的考虑航电网络在实际运行中故障因素。

以下实例是对航电网络中的航空电子全双工通信以太网交换(AFDX)(姜丽云.AFDX网络关键技术研究[D].西安电子科技大学,2013.)整网数据可靠性有误的动态故障树建模，具体步骤如下：

步骤一：首先针对复杂的AFDX网络，抽象出业务路径。

在系统层面分析各个业务在网络上的运行过程，包括业务实现的功能，网络基础设施为支持该业务提供的功能以及业务调用功能间的逻辑关系。在此分析基础上抽象出一条具有代表性的业务路径，通过此业务路径分析支持该业务的各个器件提供功能之间的逻辑关系，包括器件间的时间相关性和功能依赖性。

本实施例中，按照功能将AFDX网络分解为多条端端传输路径，并将其中一条端端传输路径抽象为一个最具代表性的最简端端传输模型作为业务路径。

所述的最简端端传输模型分为三部分，分别为端系统通信协议栈(端系统ES)、传输信道和交换机，数据通过发送端系统ES在传输信道上传输，最后经过交换机存储转发至接收端系统ES。

步骤二：航电网络数据可靠性有误故障树建模时：

首先在系统层面，按照数据传输流程分3个阶段进行，发送端ES、交换机以及接收端ES。其中，任一发送端和接收端发生数据可靠性有误，均会影响整网数据可靠性；由于端系统之间的通信覆盖两个独立且冗余的网络A网和B网，所以，数据流可以得到保护，只有A网和B网同时出现故障才会导致在传输中出现数据不完整。因此本发明在功能时序依赖图建立中，将发送端与接收端串联，然后在发送端与接收端之间并联A网与B网，形成整体的串联，具体如图1所示。由于A网和B网具有相似性，因此只需对一个网络进行分析。

在器件层面，包括发送端、A网与B网以及接收端内部的器件。对于发送端，基于对AFDX端系统的内部结构及工作原理的分析(参考文献：刘瑞旸.AFDX端系统协议栈分析与设计[D].西安电子科技大学2015)，以数据在端系统中的传输过程来分析影响数据完整传输的功能及其之间的相互关系。经分析在这个传输过程中包含的器件有CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、DPRAM(DoublePort Random Access Memory，双端口随机存储器)、电路模块和物理层电路。

各器件功能如下：CPU的功能有数据加载、UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)报头添加、分片和IP(Internet Protocol，网络协议)报头添加；FPGA的功能有以太网报头添加、流量整型、VL(Virtual Link，虚拟链路)调度和冗余管理；DPRAM的功能有数据帧写入、数据帧读取；电路模块包括电源电路、时钟电路和复位电路；物理层电路的功能有PHY-A(Physical Layer-Port A,物理层A端口)帧传输和PHY-B(Physical Layer-Port B,物理层B端口)帧传输。电路模块失效将触发CPU和FPGA失效。Flash(内存)启动加载失效或者SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器)指令存储失效都将触发CPU失效。PROM(Programmable Read Only Memory，可编程只读存储器)启动加载失效将触发FPGA失效。DPRAM内的功能为串联关系。物理层电路内功能为并联关系。基于功能及其功能关系分析建立如图2所示的发送端ES功能时序依赖关系图。

由于接收端ES的软硬件和发送端ES的软硬件相同，故接收端系统的功能与发送端功能略有差异，其功能时序依赖图如图3所示，CPU的功能有去UDP报头、IP分片和IP校验和ICMP校验；FPGA的功能有完整性检查和冗余管理；DPRAM的功能有数据帧写入、数据帧读取；电路模块包括电源电路、时钟电路和复位电路；物理层电路的功能有PHY-A帧传输和PHY-B帧传输。电路模块失效将触发CPU和FPGA失效。Flash启动加载失效或者SDRAM指令存储失效都将触发CPU失效。PROM启动加载失效将触发FPGA失效。DPRAM内的功能为串联关系。物理层电路内功能为并联关系。

对于AFDX交换机系统，基于对AFDX交换机系统内部结构以及工作原理的分析(参考文献：牛冰.AFDX交换机的硬件设计及端系统调度[D].西安电子科技大学,2009.)，以数据在交换机中的传输过程来分析影响数据完整传输的功能及其之间的相互关系。经分析这个传输过程中包含的器件及其功能如下：CPU，其相应的功能有数据加载、执行交换机管理软件、执行SNMP(Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议)协议软件、UDP/IP报头检验；FPGA，其相应的功能有帧过滤、帧警管、帧调度、SSRAM(Synchronous StaticRandom Access Memory，同步静态随机访问存储器)缓存转发、帧发送；缓存模块，其相应的功能有RxDPRAM(Receiving Double Port Random Access Memory,接受双向通信存储器)缓存转发和TxDPRAM(Transmitting Double Port Random Access Memory,接受双向通信存储器)缓存转发；电路模块，其相应的功能有电源电路、时钟电路、复位电路。电路模块失效触发CPU失效和FPGA失效。Flash启动加载失效和SDRAM指令存储失效触发CPU失效。PROM启动配置触发FPGA失效。缓存内的功能RxDPRAM缓存转发和TxDPRAM缓存转发为并联关系。数据经过交换机后由物理层电路流入端系统。基于以上功能及功能关系分析和A网、B网并联关系建立如图4所示的A网和B网功能时序依赖关系图。

步骤三：将步骤二中在系统层面和器件层面生成的功能时序依赖关系图，根据功能时序依赖关系图对动态故障树的转化规则，生成相应的故障树。在系统层面，整网数据有误故障树如图5所示；在器件层面，发送端ES器件内软硬功能导致发送端故障的动态故障树如图6所示，A网内软硬件功能导致A网故障的动态故障树如图7所示，接送端ES器件内软硬功能导致接收端故障的动态故障树如图8所示。

Claims (3)

1.基于业务路径的复杂系统动态故障树建模方法，其特征在于：具体包括如下步骤，

步骤一：分析复杂系统，抽象出业务路径；

首先将复杂网络分解为多条端端传输路径，然后选出一条最具有代表性的端端传输路径并将其抽象为最简端端路径，作为业务路径；

步骤二：确定故障树顶事件，构建功能时序依赖图；

首先系统层面，分析各个器件之间的逻辑关系，即器件间的时间相关性和功能依赖性；然后器件层面，对每一个器件所实现的各种业务功能进行故障以及故障关系的分析与确定，构建系统层面和器件层面的功能时序依赖图；

功能时序依赖图绘制原则为：器件属性为备件，则与主件之间为并联关系；串并联关系在功能时序依赖图中采用无向连接线“—”来连接；功能间的依赖关系采用虚线箭头表示，虚线箭头始端事件为触发事件，虚线箭头末端事件为相关事件；而时序关系采用有向线段来连接，表明发生顺序是按照由前到后的顺序发生；并需要标注是强时序性关系还是弱时序性关系，强时序性关系为必须且只能按照一种顺序发生，且当所有的事件发生后，系统故障，采用“—>>”来连接；弱时序性关系为有多种发生顺序，只有一种关系造成故障，采用”—>”进行连接；

步骤三：归类故障，建立故障树；

根据所生成的功能时序依赖图对动态故障树的转换规则，对故障进行分类处理，不同的故障对应不同的逻辑门或者逻辑门的组合；按照各类器件和功能对顶事件的影响，建立故障树。

2.根据权利要求1所述的基于业务路径的复杂系统动态故障树建模方法，其特征在于：所述的最简端端路径包括端系统ES、传输信道和交换机，数据通过发送端系统ES在传输信道上传输，最后在交换机进行存储和转发至接收端系统ES。

3.根据权利要求1所述的基于业务路径的复杂系统动态故障树建模方法，其特征在于：所述的功能时序依赖图对动态故障树的转换规则为：

(1)串联关系生成或门；

(2)备件并联关系依据备件属性生成相应的备件门；

(3)依赖关系生成功能依赖门；

(4)弱时序关系生成优先与门；

(5)强时序关系生成顺序相关门；

(6)用户自行添加中间事件信息。