CN109614636B - 一种两路输入一路输出的三状态设备模拟方法 - Google Patents
一种两路输入一路输出的三状态设备模拟方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种两路输入一路输出的三状态设备模拟方法，步骤为：建立具有两个输入、一个输出信号的GO法操作符，设定信号具体包括的状态，设定操作符的运算规则，体现输入信号及操作符的状态值对输出信号的状态值的影响，设定操作符的状态概率为Pc(i)，计算状态概率和状态累积概率：第一输入信号的状态概率为Ps1(i)，状态累积概率为AS1(i)，第二输入信号的状态概率为Ps2(i)，状态累积概率为AS2(i)，输出信号的状态概率为PR(i)，状态累积概率为AR(i)。该方法简化GO法分析工作，直接定量计算两路输入一路输出的三状态设备输出信号的状态概率和状态累积概率，应用于多故障状态工艺系统GO法可靠性分析工作中可明显减少工作量。
Description
技术领域
本发明涉及系统可靠性分析技术领域，具体涉及一种两路输入一路输出的三状态设备模拟方法。
背景技术
GO法是一种用于分析系统可靠性的概率分析技术，GO法使用操作符表示系统的部件或逻辑关系，使用信号流连接各操作符表示其相互之间的连接、组合关系，以系统原理图、流程图或者工程图为基础，采用操作符和信号流对系统进行建模形成GO图，分析工艺系统的成功和事故序列，并计算各种状态的概率值，对系统可靠性进行定性和定量分析。
在基于GO法的系统可靠性分析中，通常以功能流为导向，建模形成GO图后，进而定性或定量的分析系统可靠性。GO法主要反映的是系统顺序操作过程及部件之间的功能作用关系，GO法及其改进算法已广泛应用于各类型系统的可靠性分析中，用GO法代替计算复杂组合的可靠性联合概率，降低了计算机编程实现的难度。
近年来，GO法广泛的应用在供电系统、汽车制动系统、核能系统等机电一体化的复杂系统的可靠性分析中，并取得了一定的成果。
现有GO法操作符都是针对单一故障状态的，使用现有操作符来表示具有多种故障状态的设备，需要多个操作符进行组合运算才能实现，计算过程复杂。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种两路输入一路输出的三状态设备模拟方法，针对现有GO法操作符的不足，简化具有三种状态设备的GO法分析工作，直接定量计算输出信号的状态概率和状态累积概率，提高GO法可靠性分析的效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种两路输入一路输出的三状态设备模拟方法，包括以下步骤：
建立具有两个输入信号和一个输出信号的GO法操作符，其中：
该操作符用于模拟有第一输入信号、第二输入信号和一个输出信号的三状态设备，
设定两个输入信号和一个输出信号具体包括的状态，
设定操作符的运算规则，体现第一输入信号的状态值、第二输入信号的状态值及操作符的状态值对输出信号的状态值的影响，
依据如上所述的两路输入一路输出的三状态GO法操作符及其运算规则，设定操作符的状态概率为Pc(i)，
计算输出信号不同状态下的状态概率和状态累积概率算法如下：
第一输入信号的状态概率为Ps1(i)，状态累积概率为AS1(i)，i为第一输入信号的状态值；
第二输入信号的状态概率为Ps2(i)，状态累积概率为AS2(i)，i为第二输入信号的状态值；
输出信号的状态概率为PR(i)，状态累积概率为AR(i)，i为输出信号的状态值；
则：
输出信号为成功状态的状态概率和状态累积概率计算公式分别为：
PR(i)＝PS1(i)·PS2(i)·Pc(i) (1)
AR(i)＝AS1(i)·PS2(i)·Pc(i) (2)
输出信号为损失故障状态的状态概率和状态累积概率计算公式分别为：
PR(N1)＝PS1(i)[PS2(i)·Pc(N1)+PS2(N1)·Pc(i)+PS2(N1)·Pc(N1)] (3)
AR(N1)＝AS1(i)[PS2(i)+PS2(N1)][Pc(i)+Pc(N1)] (4)
输出信号为缺失故障状态的状态概率和状态累积概率计算公式分别为：
PR(N2)＝[PS2(i)+PS2(N1)]·Pc(N2)+PS2(N2) (5)
AR(N2)＝PS2(N2)+[AS1(i)·Pc(i)+AS1(i)·Pc(N1)+Pc(N2)][PS2
(i)+PS2(N1)] (6)
输出信号为由第一输入信号故障导致的无信号故障状态的状态概率和状态累积概率的计算公式分别为：
PR(N3)＝PS1(N)·[PS2(i)+PS2(N1)]·[Pc(i)+Pc(N1)] (7)
AR(N3)＝PS2(i)+PS2(N1)+PS2(N2) (8)
输出信号为由其他设备故障导致的无信号故障状态的状态概率和状态累积概率的计算公式分别为：
PR(N)＝Ps2(N) (9)
AR(N)＝1 (10)
进一步，如上所述的一种两路输入一路输出的三状态设备模拟方法，设定第一输入信号具有两种状态：信号正常通过的成功状态、信号无法通过的故障状态；
设定第二输入信号具有四种状态：信号正常通过的成功状态、信号部分丢失的损失状态、信号全部丢失的缺失状态、由其他设备故障导致的无信号故障状态；
设定输出信号具有五种状态：信号正常通过的成功状态、信号部分丢失的损失状态、信号全部丢失的缺失状态、由第一输入信号故障导致的无信号故障状态、由其他设备故障导致的无信号故障状态。
进一步，如上所述的一种两路输入一路输出的三状态设备模拟方法，用(1～N-1)表示信号成功状态，
用N表示由其他设备故障导致的无信号故障状态，
用N1表示信号损失故障状态，
用N2表示信号缺失故障状态，
用N3表示由第一输入信号故障导致的无信号故障状态。
进一步，如上所述的一种两路输入一路输出的三状态设备模拟方法，运算规则包括：
当两个输入信号的状态均为成功，同时操作符的状态也为成功时，输出信号的状态为成功；
当输入信号VS1的状态为成功时，输入信号VS2和操作符信号的状态组合分别为成功和损失、损失和成功、均为损失时，输出信号的状态为损失；
当输入信号VS2和操作符信号的状态组合分别为成功和缺失、损失和缺失、缺失和成功、缺失和损失、均为缺失时，无论输入信号VS1的状态为成功还是故障，输出信号的状态均为缺失；
当输入信号VS1的状态为故障时，输入信号VS2和操作符信号的状态组合分别为成功和损失、损失和成功、均为成功、均为损失时，输出信号的状态为由第一输入信号故障导致的无信号故障；
当输入信号VS2的状态为由其他设备故障导致的无信号故障时，无论输入信号VS1和操作符信号处于何种状态，输出信号的状态均为由其他设备故障导致的无信号故障。
本发明的有益效果在于：本发明简化GO法分析工作，直接定量计算两路输入一路输出的三状态设备输出信号的状态概率和状态累积概率，应用于多故障状态工艺系统GO法可靠性分析工作中可明显减少工作量。
本发明通过建立具有两个输入信号和一个输出信号的GO法操作符，可模拟具有成功状态、信号损失故障状态和信号缺失故障状态的三状态设备，由操作符的功能得出其运算规则，以及输出信号不同状态下的状态概率和状态累积概率算法(由操作符运算规则确定的输出信号不同状态的状态概率和状态累积概率算法)。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中提供的一种两路输入一路输出的三状态设备模拟方法的流程图；
图2为本发明中两路输入一路输出的三状态GO法操作符的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
图1示出了本发明具体实施方式中提供的一种两路输入一路输出的三状态设备模拟方法的流程图，图2示出了三状态GO法操作符的示意图，该方法主要包括：
建立具有两个输入信号和一个输出信号的GO法操作符，其中：
该操作符用于模拟有两个输入信号和一个输出信号的三状态设备，
第一输入信号为S1，
第二输入信号为S2，
输出信号为R，
设定两个输入信号和一个输出信号具体包括的状态，具体包括的状态如下：
设定第一输入信号具有两种状态：信号正常通过的成功状态、信号无法通过的故障状态；
设定第二输入信号具有四种状态：信号正常通过的成功状态、信号部分丢失的损失状态、信号全部丢失的缺失状态、由其他设备故障导致的无信号故障状态；
设定输出信号具有五种状态：信号正常通过的成功状态、信号部分丢失的损失状态、信号全部丢失的缺失状态、由第一输入信号故障导致的无信号故障状态、由其他设备故障导致的无信号故障状态；
设定操作符的运算规则，体现第一输入信号的状态值、第二输入信号的状态值及操作符的状态值对输出信号的状态值的影响，
所述运算规则具体如下表(表1)：
表中，VS1为第一输入信号的状态值，VS2为第二输入信号的状态值，VC为操作符的状态值，VR为输出信号的状态值，
用(1～N-1)表示信号成功状态，
用N表示由其他设备故障导致的无信号故障状态，
用N1表示信号损失故障状态，
用N2表示信号缺失故障状态，
用N3表示由第一输入信号故障导致的无信号故障状态，
运算规则包括：
当两个输入信号的状态均为成功，同时操作符的状态也为成功时，输出信号的状态为成功；对应于表格中的序号1；
当输入信号VS1的状态为成功时，输入信号VS2和操作符信号的状态组合分别为成功和损失、损失和成功、均为损失时，输出信号的状态为损失；对应于表格中的序号2、3、4；
当输入信号VS2和操作符信号的状态组合分别为成功和缺失、损失和缺失、缺失和成功、缺失和损失、均为缺失时，无论输入信号VS1的状态为成功还是故障，输出信号的状态均为缺失；对应于表格中的序号5、6、7；
当输入信号VS1的状态为故障时，输入信号VS2和操作符信号的状态组合分别为成功和损失、损失和成功、均为成功、均为损失时，输出信号的状态为由第一输入信号故障导致的无信号故障；对应于表格中的序号8、9；
当输入信号VS2的状态为由其他设备故障导致的无信号故障时，无论输入信号VS1和操作符信号处于何种状态，输出信号的状态均为由其他设备故障导致的无信号故障；对应于表格中的序号10；
依据如上所述的两路输入一路输出的三状态GO法操作符及其运算规则，设定操作符的状态概率为Pc(i)，i为操作符的状态值，即：i＝1，…，N-1，N1，N2；
计算输出信号不同状态下的状态概率和状态累积概率算法如下：
第一输入信号的状态概率为Ps1(i)，状态累积概率为AS1(i)，i为第一输入信号的状态值，如前所述，i＝1，…，N；
第二输入信号的状态概率为Ps2(i)，状态累积概率为AS2(i)，i为第二输入信号的状态值，如前所述，i＝1，…，N，N1，N2；
输出信号的状态概率为PR(i)，状态累积概率为AR(i)，i为输出信号的状态值，如前所述，i＝1，…，N，N1，N2，N3；
输出信号为成功状态的状态概率和状态累积概率计算公式分别为：
PR(i)＝PS1(i)·PS2(i)·Pc(i)i＝1，…，N-1 (1)
AR(i)＝AS1(i)·PS2(i)·Pc(i)i＝1，…，N-1 (2)
输出信号为损失故障状态的状态概率和状态累积概率计算公式分别为：
PR(N1)＝PS1(i)[PS2(i)·Pc(N1)+PS2(N1)·Pc(i)+PS2(N1)·Pc(N1)] (3)
AR(N1)＝AS1(i)[PS2(i)+PS2(N1)][Pc(i)+Pc(N1)] (4)
输出信号为缺失故障状态的状态概率和状态累积概率计算公式分别为：
PR(N2)＝[PS2(i)+PS2(N1)]·Pc(N2)+PS2(N2) (5)
AR(N2)＝PS2(N2)+[AS1(i)·Pc(i)+AS1(i)·Pc(N1)+Pc(N2)][PS2
(i)+PS2(N1)] (6)
输出信号为由第一输入信号故障导致的无信号故障状态的状态概率和状态累积概率的计算公式分别为：
PR(N3)＝PS1(N)·[PS2(i)+PS2(N1)]·[Pc(i)+Pc(N1)] (7)
AR(N3)＝PS2(i)+PS2(N1)+PS2(N2) (8)
输出信号为由其他设备故障导致的无信号故障状态的状态概率和状态累积概率的计算公式分别为：
PR(N)＝Ps2(N) (9)
AR(N)＝1 (10)
在上述技术方案的基础上，操作符用于模拟设备具有如下三种状态：
信号正常通过的成功状态，
信号部分丢失的损失状态，
信号全部丢失的缺失状态。
下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
假设某被加热管道有三个状态，流体正常通过的成功状态概率为Pc(1)＝0.8，管道破损发生泄漏，流体部分通过的概率为Pc(21)＝0.1，由于管道发生破裂无流体通过的概率为Pc(22)＝0.1。该被加热管道的GO法操作符模型如图2所示。
在GO法中，状态值1～N-1表示多种成功状态，最大值N表示故障状态。本发明中增加了多种故障状态，用N1、N2、N3表示。示例中只有一种成功状态，即状态1，所以故障状态为2和2x。
假设第一输入信号电加热器有两个状态，成功的概率为PS1(1)＝0.98，发生故障的概率为PS1(2)＝0.02。
假设来料管道的第二输入信号有四个状态，流体正常通过的成功状态概率为PS2(1)＝0.7，流体泄漏部分通过的概率为PS2(21)＝0.1，由于上游管道、阀门发生破裂无流体通过的概率为PS2(22)＝0.1，由输入信号故障导致的无信号输出的故障概率为PS2(2)＝0.1。
根据两路输入一路输出的三状态GO法操作符的运算规则，以及输入信号和操作符的状态值和状态概率值，表2给出了输出信号的状态值和状态概率。
表中最后一列为状态概率之和为1，可以验证状态组合的正确性，说明状态组合没有缺失和重复。根据表中的概率结果统计可知：
成功状态的概率为0.5488；
损失状态的概率为0.1568；
缺失状态的概率为0.1800；
由第一输入信号故障导致的无信号故障状态的概率为0.0144。
由其他设备故障导致的无信号故障状态的概率为0.1000。
表2两路输入一路输出的三状态设备模拟实例的输出信号估算结果
| 序号 | V<sub>S1</sub> | V<sub>S2</sub> | V<sub>C</sub> | V<sub>R</sub> | P<sub>R</sub> |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0.98×0.7×0.8＝0.5488 |
| 2 | 1 | 1 | 2<sub>1</sub> | 2<sub>1</sub> | 0.98×0.7×0.1＝0.0686 |
| 3 | 1 | 1 | 2<sub>2</sub> | 2<sub>2</sub> | 0.98×0.7×0.1＝0.0686 |
| 4 | 1 | 2<sub>1</sub> | 1 | 2<sub>1</sub> | 0.98×0.1×0.8＝0.0784 |
| 5 | 1 | 2<sub>1</sub> | 2<sub>1</sub> | 2<sub>1</sub> | 0.98×0.1×0.1＝0.0098 |
| 6 | 1 | 2<sub>1</sub> | 2<sub>2</sub> | 2<sub>2</sub> | 0.98×0.1×0.1＝0.0098 |
| 7 | 1 | 2<sub>2</sub> | 1 | 2<sub>2</sub> | 0.98×0.1×0.8＝0.0784 |
| 8 | 1 | 2<sub>2</sub> | 2<sub>1</sub> | 2<sub>2</sub> | 0.98×0.1×0.1＝0.0098 |
| 9 | 1 | 2<sub>2</sub> | 2<sub>2</sub> | 2<sub>2</sub> | 0.98×0.1×0.1＝0.0098 |
| 10 | 1 | 2 | 1 | 2 | 0.98×0.1×0.8＝0.0784 |
| 11 | 1 | 2 | 2<sub>1</sub> | 2 | 0.98×0.1×0.1＝0.0098 |
| 12 | 1 | 2 | 2<sub>2</sub> | 2 | 0.98×0.1×0.1＝0.0098 |
| 13 | 2 | 1 | 1 | 2<sub>3</sub> | 0.02×0.7×0.8＝0.0112 |
| 14 | 2 | 1 | 2<sub>1</sub> | 2<sub>3</sub> | 0.02×0.7×0.1＝0.0014 |
| 15 | 2 | 1 | 2<sub>2</sub> | 2<sub>2</sub> | 0.02×0.7×0.1＝0.0014 |
| 16 | 2 | 2<sub>1</sub> | 1 | 2<sub>3</sub> | 0.02×0.1×0.8＝0.0016 |
| 17 | 2 | 2<sub>1</sub> | 2<sub>1</sub> | 2<sub>3</sub> | 0.02×0.1×0.1＝0.0002 |
| 18 | 2 | 2<sub>1</sub> | 2<sub>2</sub> | 2<sub>2</sub> | 0.02×0.1×0.1＝0.0002 |
| 19 | 2 | 2<sub>2</sub> | 1 | 2<sub>2</sub> | 0.02×0.1×0.8＝0.0016 |
| 20 | 2 | 2<sub>2</sub> | 2<sub>1</sub> | 2<sub>2</sub> | 0.02×0.1×0.1＝0.0002 |
| 21 | 2 | 2<sub>2</sub> | 2<sub>2</sub> | 2<sub>2</sub> | 0.02×0.1×0.1＝0.0002 |
| 22 | 2 | 2 | 1 | 2 | 0.02×0.1×0.8＝0.0016 |
| 23 | 2 | 2 | 2<sub>1</sub> | 2 | 0.02×0.1×0.1＝0.0002 |
| 24 | 2 | 2 | 2<sub>2</sub> | 2 | 0.02×0.1×0.1＝0.0002 |
成功状态的状态概率和状态累积概率为：
PR(1)＝PS1(1)·PS2(1)·Pc(1)＝0.98×0.7×0.8＝0.5488
AR(1)＝AS1(1)·PS2(1)·Pc(1)＝0.98×0.7×0.8＝0.5488
损失状态的状态概率和状态累积概率为：
PR(21)＝PS1(1)[PS2(1)·Pc(21)+PS2(21)·Pc(1)+PS2(21)·Pc(21)]
＝0.98×(0.7×0.1+0.1×0.8+0.1×0.1)
＝0.1568
AR(21)＝AS1(1)[PS2(1)+PS2(21)][Pc(1)+Pc(21)]
＝0.98×(0.7+0.1)×(0.8+01)
＝0.7056
缺失状态的状态概率和状态累积概率为：
PR(22)＝[PS2(1)+PS2(21)]·Pc(22)+PS2(22)
＝(0.7+0.1)×0.1+0.1
＝0.18
AR(22)＝PS2(22)+[AS1(1)·Pc(1)+AS1(1)·Pc(21)+Pc(22)][PS2(1)
+PS2(21)]
＝0.1+(0.98×0.8+0.98×0.1+0.1)(0.7+0.1)
＝0.8856
由第一输入信号故障导致的无信号故障状态的状态概率和状态累积概率为：
PR(23)＝PS1(2)·[PS2(1)+PS2(21)]·[Pc(1)+Pc(21)]
＝0.02×(0.7+0.1)×(0.8+0.1)
＝0.0144
AR(23)＝PS2(1)+PS2(21)+PS2(22)
＝0.7+0.1+0.1
＝0.9
由其他设备故障导致的无信号故障状态的状态概率和状态累积概率为：
PR(2)＝PS2(2)＝0.1
AR(2)＝1
根据结果可知，状态累积概率的状态组合结果与公式计算结果一致，说明状态累积概率的公式是正确的。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (2)
1.一种两路输入一路输出的三状态设备模拟方法，包括以下步骤：
建立具有两个输入信号和一个输出信号的GO法操作符，其中：
该操作符用于模拟有第一输入信号、第二输入信号和一个输出信号的三状态设备，
设定两个输入信号和一个输出信号具体包括的状态，
设定操作符的运算规则，体现第一输入信号的状态值、第二输入信号的状态值及操作符的状态值对输出信号的状态值的影响，
依据如上所述的两路输入一路输出的三状态GO法操作符及其运算规则，设定操作符的状态概率为Pc(i)，其中i为操作符的状态值，
计算输出信号不同状态下的状态概率和状态累积概率算法如下：
第一输入信号的状态概率为Ps1(i)，状态累积概率为AS1(i)，i为第一输入信号的状态值；
第二输入信号的状态概率为Ps2(i)，状态累积概率为AS2(i)，i为第二输入信号的状态值；
输出信号的状态概率为PR(i)，状态累积概率为AR(i)，i为输出信号的状态值；
则：
输出信号为成功状态的状态概率和状态累积概率计算公式分别为：
PR(i)＝PS1(i)·PS2(i)·Pc(i) (1)
AR(i)＝AS1(i)·PS2(i)·Pc(i) (2)
输出信号为损失故障状态的状态概率和状态累积概率计算公式分别为：
PR(N1)＝PS1(i)[PS2(i)·Pc(N1)+PS2(N1)·Pc(i)+PS2(N1)·Pc(N1)] (3)
AR(N1)＝AS1(i)[PS2(i)+PS2(N1)][Pc(i)+Pc(N1)] (4)
输出信号为缺失故障状态的状态概率和状态累积概率计算公式分别为：
PR(N2)＝[PS2(i)+PS2(N1)]·Pc(N2)+PS2(N2) (5)
AR(N2)＝PS2(N2)+[AS1(i)·Pc(i)+AS1(i)·Pc(N1)+Pc(N2)][PS2
(i)+PS2(N1)] (6)
输出信号为由第一输入信号故障导致的无信号故障状态的状态概率和状态累积概率的计算公式分别为：
PR(N3)＝PS1(N)·[PS2(i)+PS2(N1)]·[Pc(i)+Pc(N1)] (7)
AR(N3)＝PS2(i)+PS2(N1)+PS2(N2) (8)
输出信号为由其他设备故障导致的无信号故障状态的状态概率和状态累积概率的计算公式分别为：
PR(N)＝Ps2(N) (9)
AR(N)＝1 (10)；
设定第一输入信号具有两种状态：信号正常通过的成功状态或信号无法通过的故障状态；
设定第二输入信号具有四种状态：信号正常通过的成功状态、信号部分丢失的损失状态、信号全部丢失的缺失状态或由其他设备故障导致的无信号故障状态；
设定输出信号具有五种状态：信号正常通过的成功状态、信号部分丢失的损失状态、信号全部丢失的缺失状态、由第一输入信号故障导致的无信号故障状态或由其他设备故障导致的无信号故障状态；
用(1～N-1)表示信号成功状态，
用N表示由其他设备故障导致的无信号故障状态，
用N1表示信号损失故障状态，
用N2表示信号缺失故障状态，
用N3表示由第一输入信号故障导致的无信号故障状态。
2.根据权利要求1所述的一种两路输入一路输出的三状态设备模拟方法，其特征在于：运算规则包括：
当两个输入信号的状态均为成功，同时操作符的状态也为成功时，输出信号的状态为成功；
当输入信号VS1的状态为成功时，输入信号VS2和操作符信号的状态组合分别为成功和损失、损失和成功或均为损失时，输出信号的状态为损失；
当输入信号VS2和操作符信号的状态组合分别为成功和缺失、损失和缺失、缺失和成功、缺失和损失或均为缺失时，无论输入信号VS1的状态为成功还是故障，输出信号的状态均为缺失；
当输入信号VS1的状态为故障时，输入信号VS2和操作符信号的状态组合分别为成功和损失、损失和成功、均为成功或均为损失时，输出信号的状态为由第一输入信号故障导致的无信号故障；
当输入信号VS2的状态为由其他设备故障导致的无信号故障时，无论输入信号VS1和操作符信号处于何种状态，输出信号的状态均为由其他设备故障导致的无信号故障。
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