CN106650149A - 基于Modelica模型的运行时故障注入系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Modelica模型的运行时故障注入系统及方法，该系统由基于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、仿真求解模块以及故障注入模块组成。本发明的方法通过Modelica中的可扩展语义annotation，将正常工况的系统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模型间的映射关系，最后在仿真运行时注入故障模式并恢复仿真。本发明很好的解决了模型的一致性、可重用性和可维护性，大大的降低了故障仿真的复杂性；而且本发明的这种方式针对仿真耗时长的大型系统、模拟运行中系统都有显著优势。

Description

基于Modelica模型的运行时故障注入系统及方法

技术领域

本发明属于复杂机电系统故障仿真领域，具体涉及一种基于Modelica模型的运行时故障注入系统及方法，用于对复杂机电系统故障仿真。

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，各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，系统耦合度很高，某个零件的失效可能会引起巨大的损失，因此，对这样的复杂机电系统提出了高可靠性、高容错性和高安全性的要求。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。针对每个故障模式进行故障仿真，采集故障数据，成为一项耗时长，出错率高、工作量大的任务。

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，为了仿真不同的故障模式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

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种基于Modelica模型的运行时故障注入系统及方法，专门针对复杂机电系统，该方法可以根据不同的故障模式，动态地将需要仿真的故障在系统仿真已经开始之后，注入到模型中。本发明的方法不仅能够保持系统模型的一致性、重用性和易维护性，而且针对仿真耗时长的大型系统、模拟运行中系统均具有显著优势。

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模型的运行时故障注入系统，主要由基于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、仿真求解模块以及故障注入模块组成。

所述系统模型库用于存储系统模型，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可拆分为分系统、组件和元器件的层次化结构，每个所述组件或所述元器件中均包含有能够描述该组件或元器件行为的参数、变量和数学方程。

所述模型管理模块用于管理所述系统模型，其功能主要包括加载所述系统模型文件到内存中以及编译和扫描内存中的所述系统模型。

所述故障模式管理模块包含在所述故障模式库中，用于新建或编辑故障模式，所述故障模式库则用于存储故障模式；每条所述故障模式的记录中均包含有标准的故障模式信息和与描述故障模式与模型映射关系的信息；所述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；所述与描述故障模式与模型映射关系的信息主要包括故障参数名和故障模式触发条件。

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。

所述求解仿真模块用于对搭建的系统模型进行编译仿真，仿真结束后，系统中不同故障参数会产生各种的仿真结果，这些仿真结果成为查找故障原因的重要依据。

所述故障注入模块负责将故障模式中的故障参数值写入到所述系统模型中，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，在运行过程中将故障参数的值写入到正在仿真的求解器中，完成故障注入。

一种利用上述系统的运行时故障注入方法，包括如下步骤：

步骤0、首先利用基于Modelica的系统模型库，构建系统模型，并在建模过程中对故障参数进行注释标记；

步骤1、通过模型管理模块，加载系统模型到内存中，通过解析系统模型，生成系统模型中的系统模型对象，同时提取在步骤0中被标记过的故障参数；

步骤2、在故障模式库中，以故障模式管理模块为支撑，新建或编辑故障模式，写入故障模式的基本信息，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，系统模型库与故障模式库随即建立映射关系；

步骤3、由于系统模型库与故障模式库已经建立起映射关系，在搭建的系统模型中选择一个关联的故障参数与新建的故障模式关联起来，完成一条故障模式；

步骤4、通过求解仿真模块对当前的系统模型进行求解仿真；

步骤5、暂停仿真，在故障模式库中，选择故障模式，并利用故障参数编辑模块修改所选故障模式的故障参数的取值；

步骤6、故障注入模块根据所选故障模式中故障参数的全名，查找到运行中的求解器中对应的故障参数位置；

步骤7、通过求解仿真模块，修改求解器中故障参数的取值，完成故障注入；

步骤8、恢复仿真。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过Modelica中的可扩展语义annotation，将正常工况的系统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模型间的映射关系。这种映射关系不影响正常模型的行为。本发明的这种故障注入的方式很好的解决了系统模型的一致性、可重用性和可维护性，大大的降低了故障仿真的复杂性；而且本发明这种在运行时故障注入方式针对仿真耗时长的大型系统、模拟运行中系统都有显著优势。

针对仿真消耗时间长的系统，若仿真进行一半时想进行注入故障，在没有运行时故障注入方法时，只能提前结束仿真。新建一个故障模式，在其中设定故障注入时间后，采取运行前注入故障方式，修改模型内容，重新求解仿真，导致花费更多时间。若无本发明这种运行时故障输入方法，针对模拟运行中的系统出现故障的仿真则无法实现，因此本发明的运行时故障注入方法有它无法替代的作用和优点。

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为本发明系统的结构及工作原理图；

图2为本发明方法的步骤流程图。

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模型的运行时故障注入系统，主要由基于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、仿真求解模块以及故障注入模块组成。

所述系统模型库用于存储系统模型，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可拆分为分系统、组件和元器件的层次化结构，每个所述组件或所述元器件中均包含有能够描述该组件或元器件行为的参数、变量和数学方程。

所述模型管理模块用于管理所述系统模型，其功能主要包括加载所述系统模型文件到内存中以及编译和扫描内存中的所述系统模型。

所述故障模式管理模块包含在所述故障模式库中，用于新建或编辑故障模式，所述故障模式库则用于存储故障模式；每条所述故障模式的记录中均包含有标准的故障模式信息和与描述故障模式与模型映射关系的信息；所述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；所述与描述故障模式与模型映射关系的信息主要包括故障参数名和故障模式触发条件。

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。

所述求解仿真模块用于对搭建的系统模型进行编译仿真，仿真结束后，系统中不同故障参数会产生各种的仿真结果，这些仿真结果成为查找故障原因的重要依据。

所述故障注入模块负责将故障模式中的故障参数值写入到所述系统模型中，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，在运行过程中将故障参数的值写入到正在仿真的求解器中，完成故障注入。

参见图1、图2所示，一种利用上述系统的运行时故障注入方法，包括如下步骤：

步骤0、首先利用基于Modelica的系统模型库，构建系统模型，该系统模型是正常的工况模型，可以仿真模拟某系统的在正常工况下的行为表现；并且为系统模型中的参数添加annotation注解，标注为故障参数；

步骤1、通过模型管理模块，加载系统模型到内存中，通过解析系统模型，生成系统模型中的系统模型对象，同时提取在步骤0中被标记过的故障参数；

步骤2、在故障模式库中，以故障模式管理模块为支撑，新建或编辑故障模式，写入故障模式的基本信息，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，系统模型库与故障模式库随即建立映射关系；

步骤3、由于系统模型库与故障模式库已经建立起映射关系，在搭建的系统模型中选择一个关联的故障参数与新建的故障模式关联起来，完成一条故障模式；

步骤4、通过求解仿真模块对当前的系统模型进行求解仿真；

步骤5、暂停仿真，在故障模式库中，选择故障模式，并利用故障参数编辑模块修改所选故障模式的故障参数的取值；

步骤6、故障注入模块根据所选故障模式中故障参数的全名，查找到运行中的求解器中对应的故障参数位置；

步骤7、通过求解仿真模块，修改求解器中故障参数的取值，完成故障注入；

步骤8、恢复仿真。

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 (2)

1.一种基于Modelica模型的运行时故障注入系统，其特征在于：由基于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、仿真求解模块以及故障注入模块组成；

所述系统模型库用于存储由Modelica语言建立的系统模型，所述系统模型依据对象的物理拓扑结构可拆分为分系统、组件和元器件的层次化结构，每个所述组件或所述元器件中均包含有能够描述该组件或元器件行为的参数、变量和数学方程；

所述模型管理模块用于管理所述系统模型，其功能包括加载所述系统模型文件到内存中以及编译和扫描内存中的所述系统模型；

所述故障模式管理模块包含在所述故障模式库中，用于新建或编辑故障模式，所述故障模式库则用于存储故障模式；每条所述故障模式的记录中均包含有标准的故障模式信息和与描述故障模式与模型映射关系的信息；所述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；所述与描述故障模式与模型映射关系的信息主要包括故障参数名和故障模式触发条件；

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；

所述求解仿真模块用于对搭建的系统模型进行编译仿真，仿真结束后，系统中不同故障参数会产生各种的仿真结果，这些仿真结果成为查找故障原因的重要依据；

所述故障注入模块负责将故障模式中的故障参数值写入到所述系统模型中，具体方法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，在运行过程中将故障参数的值写入到正在仿真的求解器中，完成故障注入。

2.一种利用如权利要求1所述系统的运行时故障注入方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤0、首先利用基于Modelica的系统模型库，构建系统模型，并在建模过程中对故障参数进行注释标记；

步骤1、通过模型管理模块，加载系统模型到内存中，通过解析系统模型，生成系统模型中的系统模型对象，同时提取在步骤0中被标记过的故障参数；

步骤2、在故障模式库中，以故障模式管理模块为支撑，新建或编辑故障模式，写入包括故障模式名、故障原因、故障影响、故障严酷度和故障发生概率在内的故障模式的基本信息，系统模型库与故障模式库随即建立映射关系；

步骤3、由于系统模型库与故障模式库已经建立起映射关系，在搭建的系统模型中选择一个关联的故障参数与新建的故障模式关联起来，完成一条故障模式；

步骤4、通过求解仿真模块对当前的系统模型进行求解仿真；

步骤5、暂停仿真，在故障模式库中，选择故障模式，并利用故障参数编辑模块修改所选故障模式的故障参数的取值；

步骤6、故障注入模块根据所选故障模式中故障参数的全名，查找到运行中的求解器中对应的故障参数位置；

步骤7、通过求解仿真模块，修改求解器中故障参数的取值，完成故障注入；

步骤8、恢复仿真。