CN113221321A - 一种基于任务装备故障的仿真和指标评估方法及系统 - Google Patents

一种基于任务装备故障的仿真和指标评估方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于任务装备故障的仿真和指标评估方法及系统，并根据故障规律评估装备可靠性指标，属于装备可靠性技术领域。本发明方法，包括：获取装备的装备要素，根据装备要素确定装备的保障主体，并根据装备要素建立装备的保障主体的保障仿真模型，且可将装备系统分解到最小可更换单元；确定装备的典型任务，以典型任务为主线牵引，装备执行任务作为输入，对装备故障仿真模型进行典型任务模拟仿真，获取动态结果数据；根据动态结果数据，获取装备故障规律的描述，根据数据记录，确定装备的MTBF平均故障间隔时间和A0使用可用度指标。本发明通过模拟仿真装备可靠性业务，可有效的验证装备使用时提出的可靠性指标，为装备的可靠性设计提供验证手段。

Description

一种基于任务装备故障的仿真和指标评估方法及系统
技术领域
本发明涉及装备可靠性技术领域，并且更具体地，涉及一种基于任务装备故障的仿真和指标评估方法及系统。
背景技术
基于任务的装备故障规律描述方法是以装备执行一次典型任务为主线，装备为对象，以工作单元的状态的变化为推动，开展的一系列装备故障业务仿真推演，并在计算推演基础上，判断工作单元的状态对于装备的影响(故障停机、故障工作、正常工作)，描述并评估装备的故障规律(平均故障间隔时间)和使用强度(使用可用度)，为装备的可靠性指标验证提供仿真方法。
现已有相关资料评估装备的MTBF(平均故障间隔时间)和A0(使用可用度)，主要通过GJB1909标准结合装备使用规律完成指标计算，但仅限于单个装备指标计算。
现有单个装备故障规律描述方法有两种：①经验+解析法，②分布法。
1)经验法：多由装备使用人员根据对历史装备的任务使用数据、装备故障数据为基础，运用公式解析方法对装备的故障规律进行直接计算，但此种方法需要大量的样本量，若装备的动用频率低，无法收集到大量的样本数据，对装备可靠性指标的评估干扰较大，导致指标评估不准确。
2)分布法：目前应用最多的方法，根据以往各类工作单元的故障规律，确定其寿命服从分布，并根据分布类型确定单个工作单元的故障规律，但是分布法没有结合具体的任务，忽视了装备平时动用的频率，对于装备的故障规律描述会有偏差，很难实现准确的故障规律描述，装备的可靠性指标计算结果准确性也会下降。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于任务装备故障的仿真和指标评估方法，包括：
获取装备的装备要素，根据装备要素确定装备的仿真主体，并根据装备要素建立装备的仿真主体的仿真模型，且可将装备系统分解到最小可更换单元；
确定装备的典型任务，以典型任务为主线牵引，装备执行任务作为输入，对装备故障仿真模型进行典型任务模拟仿真，获取动态结果数据；
根据动态结果数据，获取装备故障规律的描述，根据数据记录，确定装备的MTBF(平均故障间隔时间)和A0(使用可用度)指标。
可选的，装备故障仿真要素，包括：
装备要素，所述装备要素，包括：装备构型要素、装备可靠性指标要素和装备故障策略要素；
工作单元要素，所述工作单元要素，包括外场可更换单元LRU和车间可更换单元SRU；
可选的，装备任务要素，所述装备任务要素，包括：使用任务描述要素、装备与任务关系要素和工作单元与任务关系要素。
所述典型任务，为动用装备的使用组织，调度装备和工作单元执行任务，所述执行任务过程中，工作单元根据任务的情况确定是否需要参与任务，即某些工作单元需要执行任务，某些工作单元不需要执行任务。
可选的，数据记录，包括：包括：装备要素记录、装备任务要素记录和工作单元要素记录。
可选的，可靠性指标，包括：
装备使用时，单台装备的MTBF(平均故障间隔时间)；
装备使用时，单台装备的A0(使用可用度)。
本发明还提出了一种基于任务装备故障的仿真和指标评估系统，包括：
构建模型模块，获取装备的装备要素，根据装备要素确定装备对象，并根据装备要素建立装备的故障仿真模型；
仿真计算模块，确定装备的典型任务，以典型任务作为装备故障仿真模型的输入数据，对故障仿真模型进行典型任务模拟仿真，获取动态结果数据；
指标输出模块，根据动态结果数据，获取典型任务模拟仿真的数据记录，根据数据记录，确定装备的可靠性指标。
可选的，装备故障仿真要素，包括：
装备要素，所述装备要素，包括：装备构型要素、装备RMS指标要素和装备故障策略要素；
工作单元要素，所述工作单元要素，包括外场可更换单元LRU和车间可更换单元SRU；
可选的，装备任务要素，所述装备任务要素，包括：使用任务描述要素、装备与任务关系要素和工作单元与任务关系要素。
所述典型任务，为动用装备的使用组织，调度装备和工作单元执行任务，所述执行任务过程中，工作单元根据任务的情况确定是否需要参与任务，即某些工作单元需要执行任务，某些工作单元不需要执行任务。
可选的，数据记录，包括：包括：装备要素记录、装备任务要素记录和工作单元要素记录。
可选的，可靠性指标，包括：
装备使用时，单台装备的MTBF(平均故障间隔时间)；
装备使用时，单台装备的A0(使用可用度)。
本发明通过模拟仿真装备故障规律，可有效的验证装备使用时提出的可靠性指标，为装备的功能性能与可靠性设计提供验证手段；
本发明可以提供装备故障规律的仿真模拟，并根据仿真计算确定仿真结果。
附图说明
图1为本发明一种基于任务装备故障的仿真和指标评估方法流程图；
图2为本发明一种基于任务装备故障的仿真和指标评估方法实施例模拟仿真示意图；
图3为本发明一种基于任务装备故障的仿真和指标评估方法实施例结果分析示意图；
图4为本发明一种基于任务装备故障的仿真和指标评估系统结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
本发明提出了一种基于任务装备故障的仿真和指标评估方法，如图1所示，包括：
获取装备的装备要素，根据装备要素确定装备的仿真主体，并根据装备要素建立装备的仿真主体的仿真模型，且可将装备系统分解到最小可更换单元；
确定装备的典型任务，以典型任务为主线牵引，装备执行任务作为输入，对装备故障仿真模型进行典型任务模拟仿真，获取动态结果数据；
根据动态结果数据，获取装备故障规律的描述，根据数据记录，确定装备的MTBF(平均故障间隔时间)和A0(使用可用度)指标。
其中，装备故障仿真要素，包括：
装备要素，所述装备要素，包括：装备构型要素、装备可靠性指标要素和装备故障策略要素；
工作单元要素，所述工作单元要素，包括外场可更换单元LRU和车间可更换单元SRU；
其中，装备任务要素，包括：
装备任务要素，所述装备任务要素，包括：使用任务描述要素、装备与任务关系要素和工作单元与任务关系要素。
典型任务，为动用装备的使用组织，调度装备和工作单元执行任务，所述执行任务过程中，工作单元根据任务的情况确定是否需要参与任务，即某些工作单元需要执行任务，某些工作单元不需要执行任务。
数据记录，包括：包括：装备要素记录、装备任务要素记录和工作单元要素记录。
可靠性指标，包括：
装备使用时，单台装备的MTBF(平均故障间隔时间)；
装备使用时，单台装备的A0(使用可用度)。
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
装备任务仿真模型构建是对仿真对象和仿真主体的要素、结构、关系和行为的各类要素进行建模描述，仿真模型是对装备使用与任务系统的抽象描述，是由一系列要素模型构成的模型体系，仿真模型的构建遵从装备综合使用仿真模型的体系，模型要素包括装备任务要素、装备故障仿真要素等两类要素；
三类要素包括：
装备任务要素，任务要素是装备的平时任务的描述，是定义一段时期内，装备使用任务的安排和条件，如任务的执行、装备的动用等。包括使用任务描述和装备&任务关系。
任务要素，包括：
任务想定描述要素，以一次平时任务为对象，开展装备任务想定，描述本次任务的日期、时间、执行方式、任务规模、任务剖面、任务阶段等要素，按照任务阶段、任务剖面、任务想定层次从低到高完成一次任务的定义。
装备&任务关系要素，将任务逐层分解，最终分解到任务阶段，装备根据任务动用策略开展任务执行工作，任务的动用策略可用随机选择装备的策略(或者梯次控制策略)，装备的任务执行与使用任务的分解同步开展和对应。由装备体系执行使用任务，由装备执行任务剖面和任务阶段，由装备下级系统/LRU执行任务阶段，最终由下到上完成装备&任务关系的描述，且根据装备执行任务情况建立故障策略模型，作为装备故障机制的触发条件。
装备要素，装备要素是与装备的结构、故障、使用编制等有关。装备是仿真主体对象，是装备动用业务的核心，本发明提到的装备故障都是围绕装备的使用任务开展的业务。装备要素包括装备构型、装备RMS指标和装备故障策略。
装备要素，包括：
装备构型要素，装备构成是装备的基本构成，从装备、系统、分系统、组件/部件、LRU、SRU逐层级向下分解和构建，主要体现为装备的硬件组成树。
装备RMS指标要素，装备RMS指标，即装备通用质量特性指标，传统意义上包括6性，分别为可靠性指标、维修性指标、测试性指标、保障性指标、安全性指标和环境适应性指标，本发明主要用到以下指标：
装备RMS指标，包括：可靠性指标：装备工作时间(确定装备的初始状态)、MTBF(平均故障间隔时间)。
维修性指标：MTTR(平均修复时间)、定检周期、维修时间。
保障性指标：备件供应周期、备件类型/库存量。
工作单元要素，工作单元是装备维修的基础层次，工作单元是装备系统中具有特定功能、相对独立的功能模块。工作单元是装备系统的基本构成要素，也是维修业务开展的基础单元。工作单元类型有：
外场可更换单元(LRU)：LRU的修复要求是在装备系统中可更换、可修复。
车间可更换单元(SRU)：SRU的修复要求是在产品中可更换、可修复。
可废弃单元(DU)：在装备系统中不可修复的产品。在外场更换下后直接报废。
可废弃件(DP)：在产品中不可修复，不可更换的组件。
组件(ASSY)：在系统分解结构中有物理和功能意义，在装备系统或产品单元中不可更换。
在具体建模时，工作单元的层次不是确定和明确的。LRU可以包含(通过更换维修)SRU，而这些SRU反过来又包括其它SRU、SSRU(车间可更换子单元)等。一个产品在某装备系统中可能是LRU但在另一种系统中又可能是SRU。
工作单元模型是装备系统模型的子功能，是对工作单元的分类和属性的构建。
装备故障策略要素：根据工作单元LRU/SRU在平时使用收集的故障数据为基础，用正态分布/威布尔分布/指数分布等概率密度函数拟合装备下每个工作单元故障的分布，确定出仿真的工作单元MTBF(平均故障间隔时间)作为仿真输入，考虑到仿真的随机性，在分布的基础上，加入蒙特卡洛算法产生每次仿真的工作单元的MTBF值在一定范围内随机产生，且装备的故障判定由关键的工作单元故障来断定。
将上述要素以一次典型任务串联起来由静态模型转为模拟仿真动态业务，确定装备仿真模型，如图2所示；
以装备业务为主线索进行故障仿真模型进行模拟计算，以一次典型任务为主线，动用使用组织，调度装备执行任务，在此过程中，由保障组织(包括维修组织和仓库组织)开展装备的故障、维修(包括预防性维修任务和修复性维修任务)和保障任务，并占用/供应相应的保障资源完成装备的维修保障工作。
获取仿真计算的数据和得到的结果，统计多种指标，建立装备综合RMS评估指标(平均故障间隔时间和使用可用度)模型算法，分析确定装备的可靠性指标，包括数据记录和装备指标计算评估，如图3所示。
数据记录，以装备为对象，分别记录装备仿真评估指标所需的基础数据，包括：
装备记录，装备记录包括：
装备动用：装备类型、装备数量、装备状态、装备状态转换频次、装备任务出动频次、装备故障频次、装备使用保障频次；
装备维修：维修任务频次，包括装备修复性维修频次、装备预防性维修频次；
备件供应：备件使用，包括备件类型和备件数量，备件与装备的LRU/SRU一一对应。
装备可靠性指标计算评估，包括：
MTBF(平均故障间隔时间)仿真值，反应装备故障情况
平时任务描述主要考虑训练使用、故障情况，主要计算MTBF(平均故障间隔时间)仿真值(注：MTBF在装备研制、使用时有规定值、使用值，本专利是计算其针对一次仿真的仿真值，反应仿真过程中装备故障的频率)。
以单装为对象：
Figure BDA0003001762460000081
T：装备每次工作持续时间(单装一次实验总时间，由多次单装维修时间累计时间和)的累计时间；
N：仿真周期内，装备故障次数(装备故障工作状态的次数累积之和)；
其中，装备故障仿真需要开展多次，每一次仿真定义为一次实验。
装备综合指标计算评估，包括：
使用可用度仿真值，反应装备工作强度
平时任务描述主要考虑训练使用、故障情况、维修整修和维护保养，主要计算使用可用度(装备)仿真值(注：使用可用度在装备研制、使用时有规定值、使用值，本专利是计算其针对一次仿真的仿真值，反应仿真过程中装备工作强度)。
以单装为对象：
Figure BDA0003001762460000091
装备可用时间：装备可以正常工作，无故障、无维修、无等待备件的时间；
装备维修时间：装备处于修复性维修时需要维修的时间和装备处于预防性维修时需要维修的时间；
备件延误时间：维修装备时，因备件不够导致的延误时间。
装备保障仿真需要开展多次，每一次仿真定义为一次实验。
本发明还提出了一种基于任务装备故障的仿真和指标评估系统200，如图4所示，包括：
构建模型模块，获取装备的装备要素，根据装备要素确定装备对象，并根据装备要素建立装备的故障仿真模型；
仿真计算模块，确定装备的典型任务，以典型任务作为装备故障仿真模型的输入数据，对故障仿真模型进行典型任务模拟仿真，获取动态结果数据；
指标输出模块，根据动态结果数据，获取典型任务模拟仿真的数据记录，根据数据记录，确定装备的可靠性指标。
其中，装备故障仿真要素，包括：
装备要素，所述装备要素，包括：装备构型要素、装备可靠性指标要素和装备故障策略要素；
工作单元要素，所述工作单元要素，包括外场可更换单元LRU和车间可更换单元SRU；
其中，装备任务要素，包括：
装备任务要素，所述装备任务要素，包括：使用任务描述要素、装备与任务关系要素和工作单元与任务关系要素。
典型任务，为动用装备的使用组织，调度装备和工作单元执行任务，所述执行任务过程中，工作单元根据任务的情况确定是否需要参与任务，即某些工作单元需要执行任务，某些工作单元不需要执行任务。
数据记录，包括：包括：装备要素记录、装备任务要素记录和工作单元要素记录。
可靠性指标，包括：
装备使用时，单台装备的MTBF(平均故障间隔时间)；
装备使用时，单台装备的A0(使用可用度)。
本发明通过模拟仿真装备使用业务，可有效的验证装备使用时提出的可靠性指标，为装备的功能性能与通用质量一体化协同设计提供验证手段；
本发明可以提供直观准确的仿真结果，减少人为经验的干扰需求，提高工作效率并减少费用，并可对装备使用全系统、全特性、全过程进行要素分析，为准备的评估和验证装备可靠性指标提供依据，合理提出装备可靠性指标，适应装备研制工作中的矩阵式管理要求，确保各项装备可靠性指标有效提出。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java/C#和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于任务装备故障的仿真和指标评估方法，所述方法包括：
获取装备的装备要素，根据装备要素确定装备的保障主体，并根据装备要素建立装备的保障主体的保障仿真模型，且将装备系统分解到最小可更换单元；
确定装备的典型任务，以典型任务为主线牵引，装备执行任务作为输入，对装备故障仿真模型进行典型任务模拟仿真，获取动态结果数据；
根据动态结果数据，获取装备故障规律的描述，根据数据记录，确定装备的平均故障间隔时间MTBF和A0使用可用度指标。
2.根据权利要求1所述的方法，所述装备故障仿真要素，包括：
装备要素，所述装备要素，包括：装备构型要素、装备可靠性指标要素和装备故障策略要素；
工作单元要素，所述工作单元要素，包括外场可更换单元LRU和车间可更换单元SRU；
装备任务要素，所述装备任务要素，包括：使用任务描述要素、装备与任务关系要素和工作单元与任务关系要素。
3.根据权利要求1所述的方法，所述典型任务，为动用装备的使用组织，调度装备和工作单元执行任务，所述执行任务过程中，工作单元根据任务的情况确定是否需要参与任务，即某些工作单元需要执行任务，某些工作单元不需要执行任务。
4.根据权利要求1所述的方法，所述数据记录，包括：装备要素记录、装备任务要素记录和工作单元要素记录。
5.根据权利要求1所述的方法，所述可靠性指标，为：
装备使用时，单台装备的平均故障间隔时间MTBF；
装备使用时，单台装备的使用可用度A0。
6.一种基于任务装备故障的仿真和指标评估系统，所述系统包括：
模型建立模块，获取装备的装备要素，根据装备要素确定装备对象，并根据装备要素建立装备的故障仿真模型，将装备系统分解到最小可更换单元；
仿真模块，确定装备的典型任务，以典型任务作为装备故障仿真模型的输入数据，对故障仿真模型进行典型任务模拟仿真，获取动态结果数据；
输出模块，获取装备故障规律的描述，根据数据记录，确定装备的平均故障间隔时间MTBF和A0使用可用度指标。
7.根据权利要求6所述的系统，所述装备故障仿真要素，包括：
装备要素，所述装备要素，包括：装备构型要素、装备可靠性指标要素和装备故障策略要素；
工作单元要素，所述工作单元要素，包括外场可更换单元LRU和车间可更换单元SRU；
装备任务要素，所述装备任务要素，包括：使用任务描述要素、装备与任务关系要素和工作单元与任务关系要素。
8.根据权利要求6所述的系统，所述典型任务，为动用装备的使用组织，调度装备执行任务，所述执行任务过程中，所述执行任务过程中，工作单元根据任务的情况确定是否需要参与任务，即某些工作单元需要执行任务，某些工作单元不需要执行任务。
9.根据权利要求1所述的方法，所述数据记录，包括：装备要素记录、装备任务要素记录和工作单元要素记录。
10.根据权利要求6所述的系统，所述保障指标，包括：
装备使用时，单台装备的平均故障间隔时间MTBF；
装备使用时，单台装备的使用可用度A0。
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