CN114329910A - 基于跨层次建模的故障仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于跨层次建模的故障仿真分析方法，其包括：在装备使用场景信息基础上，搭建装备级使用场景模型，分析系统装备级至系统级的操作要求，搭建系统级操作模型，结合系统安全性性能要求，明确系统故障判据，通过集成构建系统性能模型，构建关键部位故障机理模型，进行跨层级综合仿真和系统故障仿真分析，观测系统在不同故障机理条件下的失效时间。本发明基于故障机理、系统性能、系统操作失效自下而上的影响关系，分析系统失效时间，更具完整性和准确性，适用范围广，仿真与设计更加贴合，分析结果具有实际的指导意义。

Description

基于跨层次建模的故障仿真分析方法

技术领域

本发明属于航空系统安全性建模技术领域，特别是一种基于跨层次建模的故障仿真分析方法。

背景技术

在系统实际使用过程中，装备的使用场景会影响系统性能的操作与执行，同时，不同场景下的故障机理也会发生变化，随着任务执行次数和时间累积，会造成系统输出性能偏差超出安全阈值，给系统安全带来风险。

国内外传统的安全性分析主要面向功能失效进行开展，但其无法解决由性能偏差造成的系统安全性问题。例如针对舰载机着舰偏差大小，着舰过程中包含风、浪在内的环境改变等需要具体参量化的影响因素，以及诸如飞控系统的通道增益改变、机电系统流量变化、磨损造成的油液压力渐变等，基于功能的安全性分析方法无法表征其参量化大小改变与系统输出安全阈值的关系，无法精确分析系统的安全性。同时，传统的基于故障机理的分析方法无法关联装备的使用场景及系统操作，即无法分析装备使用场景变化带来的系统操作变化以及底层元器件失效机理改变对装备任务执行次数累积后的安全隐患等一系列安全性问题。因此，为了解决这些问题，寻求一种基于跨层次建模的系统故障仿真分析方法，基于装备场景驱动系统操作，并与系统性能模型联动，在包含底层元器件不同场景下的故障机理的综合层次化模型基础上，分析底层元器件故障随装备执行任务时间累积造成的系统失效问题是十分迫切且必要的。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的缺陷，提出一种基于跨层次建模的故障仿真分析方法。该方法包括在装备使用场景信息基础上，搭建装备级使用场景模型，分析系统装备级至系统级的操作要求，搭建系统级操作模型，结合系统安全性性能要求，明确系统故障判据，通过集成构建系统性能模型，构建关键部位故障机理模型，进行跨层级综合仿真和系统故障仿真分析，观测系统在不同故障机理条件下的失效时间。本发明基于故障机理、系统性能、系统操作失效自下而上的影响关系，分析系统失效时间，更具完整性和准确性，适用范围广，仿真与设计更加贴合，分析结果具有实际的指导意义。

本发明提供一种基于跨层次建模的故障仿真分析方法，其包括以下步骤：

S1、装备级使用场景建模：在装备使用场景信息基础上，搭建装备级使用场景模型，所述装备使用场景信息包括任务信息、环境信息和交联信息；

S2、系统级操作建模：在所述装备级使用场景模型基础上，分析系统装备级至系统级的操作要求及任务、环境和交联信息，并在此基础上搭建系统级操作模型；

S21、构建系统级操作模型元素，所述系统级操作模型元素包括系统级输入指令S_operation、系统使用环境模型S_environment、系统操作阶段

和持续时间

其中j表示系统在每个任务阶段内的操作阶段且j＝1,2,...,m_mission且m_mission表示操作阶段划分总数，所述系统级输入指令S_operation为：

所述系统使用环境模型S_environment为：

S_environment＝{S_temperature,S_humidity,S_salt,S_other} (5)

其中，S_temperature表示系统执行任务所处环境的温度；S_humidity表示系统所处环境湿度；S_salt表示系统所处环境的盐雾；S_other表示系统模型中包含的其他环境因素；

S22、将所述系统级操作模型元素与装备级使用场景模型元素进行关联，并建立起二者之间的传递关系；

S3、系统故障判据确定：在所述系统级操作模型基础上，结合系统安全性性能要求，明确系统故障判据，所述故障判据包括但不仅限于系统性能指标和系统安全性阈值，所述系统性能指标包括装备不同场景下对系统的输入和输出性能要求，所述系统安全性阈值为影响系统功能及性能实现的指标阈值；

S4、系统性能建模：将系统进行层次化分解获得层次化单元，建立层次化单元性能模型，通过集成构建系统性能模型，进而形成装备使用场景——系统操作场景——系统性能模型的跨层级集成模型；

S41、根据组成系统对象特性将系统进行层次化分解：结合系统设计特性及性能建模便捷性分解至合理层级，获得层次化单元；

S42、依据分解后的所述层次化单元不同特性，利用不同的建模语言对所述层次化单元进行建模、验证：依据自底向上的建模原则，结合所述层次化单元的性能描述、逻辑架构、性能指标、接口信息、各元件设计参数及性能，采用参数化的方式建立层次化单元性能模型：

U＝{U₁,U₂,...U_L,...,U_P} (6)

其中，U_L表示所述层次化单元性能模型的第L个性能参数，L＝1,2,…,P；P表示性能参数个数；

S43、将不同所述层次化单元模型进行集成，构建系统性能模型；

S44、将所述系统级操作模型与系统性能模型进行集成，形成装备使用场景——系统操作场景——系统性能模型的跨层级集成模型；

S5、关键部位故障机理建模：针对所述层次化单元中的关键部位，开展失效机理建模，并将其关联至系统性能模型，形成装备使用场景——系统操作场景——系统性能模型并综合失效机理的跨层级综合模型；

S51、基于所述装备级使用场景模型与系统级操作模型元素，分析装备使用及系统操作中与失效机理相关联的影响因素，并将其对失效的影响进行建模，形成以装备使用场景为基础的单元关键部位失效机理模型；

S52、与所述层次化单元性能模型中第U_L个性能参数关联的失效机理描述为函数y_failure，其机理与所述装备级使用场景模型元素与系统级操作模型元素中的部分相关联；

S53、将U_L与函数y_failure进行模型间的参数关联，即在所述跨层级集成模型基础上，将U_L改为表征其失效机理的y_failure；

S6、跨层级综合仿真：在所述跨层级综合模型基础上，启动仿真，实现所述跨层级综合模型的联动运行并观察仿真运行的稳定性；

S7：系统故障仿真分析：在所述跨层级综合模型基础上，启动综合仿真，观测系统在不同故障机理条件下的失效时间。

可优选的，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、构建装备级使用场景模型元素，所述装备级使用场景模型元素包括装备任务模型M、装备环境模型E和装备外部交联模型R，所述装备任务模型M为：

其中，

表示装备所执行任务的阶段；

表示装备任务执行时间及每个阶段的时间模型；M_high表示装备执行任务的高度变化描述；

表示装备模型中包含的其他任务因素；i＝1,2,...,n_mission且n_mission表示任务阶段划分总数；

所述装备环境模型E为：

E＝{E_temperature,E_humidity,E_salt,E_other} (2)

其中，E_temperature表示装备执行任务所处环境的温度；E_humidity表示所处环境湿度；E_salt表示所处环境的盐雾；E_other表示装备模型中包含的其他环境因素；

所述装备外部交联模型R为：

R＝{R_operation,R_other} (3)

其中，R_operation表示操作者的指令；R_other表示其他设备的交互信息；

S12、将所述装备级使用场景模型元素进行关联，并依据实际的影响机理进行建模描述。

进一步，所述步骤S44在所述系统级操作模型基础上，集成所述系统性能模型，将所述系统级输入指令S_operation与系统性能模型的输入指令input进行关联，将所述系统性能模型的输出output反馈至所述系统级操作模型，将其与所述故障判据关联；所述系统性能模型中的输入指令input类型定义与所述系统级输入指令S_operation数据类型一致，其输出output类型与所述故障判据中所述系统性能指标的输出性能要求类型一致。

可优选的，所述步骤S7中所述综合仿真包括实时仿真与非实时仿真，所述实时仿真在所述装备级使用场景模型中设置循环，并将集成后的所述跨层级模型加载至实时仿真平台，启动实时仿真运行程序，观察并记录所述故障判据输出结果，直到所述系统性能模型输出超出所述系统安全性阈值，则判定为系统失效，记录对应的仿真运行时间，得到造成系统输出失效的底层单元的失效机理累加时间；所述非实时仿真在仿真平台上设置足够的运行时间，启动任务场景的周期自动运行，观察依靠任务场景驱动的所述跨层次综合模型的输出超出所述系统安全性阈值的时间，得到底层单元失效机理对系统安全性的影响。

可优选的，所述步骤S43一方面基于同一建模语言所搭建的层次化单元依据物理架构及信号交联关系进行集成，另一方面应用不同建模语言所搭建的层次化单元模型之间进行集成。

可优选的，所述步骤S42中的验证即将层次化单元性能模型信息与仿真分析过程和结果进行对比，将两者误差控制在5％范围之内。

可优选的，所述步骤S44中所述系统性能模型中的输入指令input类型与所述系统级输入指令S_operation数据类型均定义为连续的Real型。

与现有技术相比，本发明的技术效果为：

1、本发明设计的一种基于跨层次建模的故障仿真分析方法，通过构建装备级使用场景模型、系统级操作模型、系统故障判据、系统性能模型及故障机理模型之间自上而下的安全性分析要素传递，使系统安全性分析更加符合实际使用环境。

2、本发明设计的一种基于跨层次建模的故障仿真分析方法，通过构建跨层次仿真模型，基于故障机理、系统性能、系统操作失效自下而上的影响关系，分析装备在任务次数和时间累加场景下的系统失效时间，更具完整性和准确性。

3、本发明设计的一种基于跨层次建模的故障仿真分析方法，适用范围广、可分析连续系统与离散系统以及具有耦合关系等复杂特征的系统，同时综合系统组成、元/组件特性、设计性能等，使仿真与设计更加贴合，分析结果具有实际的指导意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本发明的基于跨层次建模的故障仿真分析方法流程图；

图2是本发明的跨层次建模集成关系示意图；

图3是本发明的飞机使用场景示意图；

图4是本发明的高升力控制系统操作示意图；

图5是本发明的高升力控制系统控制指令解算模块Simulink模型图；

图6是本发明的高升力控制系统作动器Modelica模型图；

图7是本发明的高升力控制系统作动器作动筒密封圈磨损机理与作动器模型集成图；

图8是本发明的高升力控制系统跨层级集成模型图；

图9是本发明的基于跨层次建模的高升力控制系统故障仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了本发明的基于跨层次建模的故障仿真分析方法，该方法包括以下步骤：

S1、装备级使用场景建模：在装备使用场景信息基础上，搭建装备级使用场景模型，装备使用场景信息包括任务信息、环境信息和交联信息。

S11、构建装备级使用场景模型元素，装备级使用场景模型元素包括装备任务模型M、装备环境模型E和装备外部交联模型R，装备任务模型M为：

其中，

表示装备所执行任务的阶段；

表示装备任务执行时间及每个阶段的时间模型；M_high表示装备执行任务的高度变化描述；

表示装备模型中包含的其他任务因素；i＝1,2,...,n_mission且n_mission表示任务阶段划分总数。

装备环境模型E为：

E＝{E_temperature,E_humidity,E_salt,E_other} (2)

其中，E_temperature表示装备执行任务所处环境的温度；E_humidity表示所处环境湿度；E_salt表示所处环境的盐雾；E_other表示装备模型中包含的其他环境因素。

装备外部交联模型R为：

R＝{R_operation,R_other} (3)

其中，R_operation表示操作者的指令；R_other表示其他设备的交互信息。

S12、将装备级使用场景模型元素进行关联，并依据实际的影响机理进行建模描述。

在一个具体实施例中，飞机的温度、湿度随飞行高度而改变，而飞行高度随任务阶段、任务时间的不同而变化，因此需要在不同的飞行阶段对飞行时间、飞行高度进行定义，并将其关联至环境模型的温度、湿度因素等。以温度变化为例，其关联函数机理简化描述为：

其中，

表示飞机执行任务时飞行高度与温度变化的影响关系；

表示飞机任务阶段及任务时间对高度变换的描述。

S2、系统级操作建模：在装备级使用场景模型基础上，分析系统装备级至系统级的操作要求及任务、环境和交联信息，并在此基础上搭建系统级操作模型。

S21、构建系统级操作模型元素，系统级操作模型元素包括系统级输入指令S_operation、系统使用环境模型S_environment、系统操作阶段

和持续时间

其中j表示系统在每个任务阶段内的操作阶段且j＝1,2,...,m_mission且m_mission表示操作阶段划分总数，系统级输入指令S_operation为：

系统使用环境模型S_environment为：

S_environment＝{S_temperature,S_humidity,S_salt,S_other} (5)

其中，S_temperature表示系统执行任务所处环境的温度；S_humidity表示系统所处环境湿度；S_salt表示系统所处环境的盐雾；S_other表示系统模型中包含的其他环境因素。

S22、将系统级操作模型元素与装备级使用场景模型元素进行关联，并建立起二者之间的传递关系，部分元素之间的关联参数如表1所示。

表1

S3、系统故障判据确定：在系统级操作模型基础上，结合系统安全性性能要求，明确系统故障判据，故障判据包括但不仅限于系统性能指标和系统安全性阈值，系统性能指标包括装备不同场景下对系统的输入和输出性能要求，系统安全性阈值为影响系统功能及性能实现的指标阈值。

S4、系统性能建模：将系统进行层次化分解获得层次化单元，建立层次化单元性能模型，通过集成构建系统性能模型，进而形成“装备使用场景——系统操作场景——系统性能模型”的跨层级集成模型。

S41、根据组成系统对象特性将系统进行层次化分解：结合系统设计特性及性能建模便捷性分解至合理层级，获得层次化单元。

S42、依据分解后的层次化单元不同特性，利用不同的建模语言对层次化单元进行建模、验证：依据自底向上的建模原则，结合层次化单元的性能描述、逻辑架构、性能指标、接口信息、各元件设计参数及性能，采用参数化的方式建立层次化单元性能模型：

U＝{U₁,U₂,...U_L,...,U_P} (6)

其中，U_L表示层次化单元性能模型的第L个性能参数，L＝1,2,…,P；P表示性能参数个数。

在一个具体实施例中，针对飞控系统，其包含指令解算单元和执行单元，指令解算具备实时、响应速度快等要求，常采用电子元器件进行实现；指令执行通常具备大推力作动等特性，常采用液压驱动、电机等方式实现。因此在建模过程中，结合软件自身特性，飞控指令解算通常采用MATLAB/Simulink等实现，飞控指令执行通常采用Modelica语言进行模型描述。

验证是指将层次化单元性能模型信息与仿真分析过程和结果进行对比，将两者误差控制在设计人员认可的范围之内，一般为5％。

S43、将不同层次化单元模型进行集成，构建系统性能模型；一方面基于同一建模语言所搭建的层次化单元依据物理架构及信号交联关系进行集成，另一方面应用不同建模语言所搭建的层次化单元模型之间进行集成。

S44、将系统级操作模型与系统性能模型进行集成，形成“装备使用场景——系统操作场景——系统性能模型”的跨层级集成模型；在系统级操作模型基础上，集成系统性能模型，将系统级输入指令S_operation与系统性能模型的输入指令input进行关联，将系统性能模型的输出output反馈至系统级操作模型，将其与故障判据关联；系统性能模型中的输入指令input类型定义与系统级输入指令S_operation数据类型一致且为连续的Real型，其输出output类型与故障判据中系统性能指标的输出性能要求类型一致。

S5、关键部位故障机理建模：针对层次化单元中的关键部位，开展失效机理建模，并将其关联至系统性能模型，形成“装备使用场景——系统操作场景——系统性能模型”并综合失效机理的跨层级综合模型，如图2所示。

S51、基于装备级使用场景模型与系统级操作模型元素，分析装备使用及系统操作中与失效机理相关联的影响因素，并将其对失效的影响进行建模，形成以装备使用场景为基础的单元关键部位失效机理模型。

S52、与层次化单元性能模型中第U_L个性能参数关联的失效机理描述为函数y_failure，其机理与装备级使用场景模型元素与系统级操作模型元素中的部分相关联。

在一个具体实施例中，仅假设失效机理与部分因素S_temperature、S_humidity、S_salt、

关联，则y_failure表征为：

S53、将U_L与函数y_failure进行模型间的参数关联，即在跨层级集成模型基础上，将U_L改为表征其失效机理的y_failure。

S6、跨层级综合仿真：在跨层级综合模型基础上，启动仿真，实现跨层级综合模型的联动运行并观察仿真运行的稳定性。

造成不稳定的原因：模型集成不稳定，装备使用场景建模、系统操作建模、系统性能建模、故障机理建模，不同模型集成后会造成模型元素或表达不一致，运行步长及仿真求解器设置有偏差等。

解决办法：建模过程中，尽量采用成熟的建模语言以及标准的模型描述规则，模型采用标准的转换类型，例如FMI标准，求解器及步长等统一设置。

S7：系统故障仿真分析：在跨层级综合模型基础上，启动综合仿真，观测系统在不同故障机理条件下的失效时间。

综合仿真包括实时仿真与非实时仿真，实时仿真在装备级使用场景模型中设置循环，并将集成后的跨层级模型加载至实时仿真平台，启动实时仿真运行程序，观察并记录故障判据输出结果，直到系统性能模型输出超出系统安全性阈值，则判定为系统失效，记录对应的仿真运行时间，得到造成系统输出失效的底层单元的失效机理累加时间；非实时仿真在仿真平台上设置足够的运行时间，启动任务场景的周期自动运行，观察依靠任务场景驱动的跨层次综合模型的输出超出系统安全性阈值的时间，得到底层单元失效机理对系统安全性的影响。

下面结合飞机高升力系统对本发明做进一步的详细说明。

飞机高升力系统为飞机提供增升功能，包括控制计算机与作动执行机构，通过接收飞行员指令并经过解算，通过执行机构作动，完成升力的调节功能。

现利用本发明进行高升力系统的跨层次建模与故障仿真分析，实现过程如下：

搭建飞机任务场景模型，飞机级任务场景是对飞机使用阶段的描述，包括飞机阶段和温度、高度等环境信息。高升力控制分系统飞机级场景信息采用SysML语言，结合状态机对不同“起飞、巡逻、着陆”三个阶段的活动进行描述，给定不同阶段的工作时间及预期的高度信息、温度信息等，其场景模型示意如图3所示。

高升力控制系统主要针对飞机不同使用场景，依据输入指令实现舵面的角度控制，其操作模型示意如图4所示。在飞机不同任务场景阶段，高升力控制分系统通过执行不同的指令信息，完成舵面角度的控制，其故障判据如表2所示。

表2

搭建系统性能模型。高升力控制系统涉及不同专业、不同领域，主要包括控制律解算和伺服回路。控制器接受由系统级状态机下发的控制指令，经过控制律解算，实现针对伺服系统的指令输出；伺服系统接收到控制器解算的指令后，通过伺服回路实现作动筒位移的控制。

根据控制器工作原理图，建立Simulink控制器模型，如图5所示；根据作动系统工作原理，基于Modelica语言以及MWorks软件建立伺服系统模型，如图6所示。

搭建故障机理模型，高升力控制分系统主要包含控制子系统和伺服子系统，其中伺服子系统中的作动筒故障模式如表3所示。

表3

伺服系统主要通过作动筒往复运动实现舵面的收放及角位移控制，在作动筒往复运动过程中，会造成密封件的摩擦损伤，其随使用时间变化和往复行程累计会造成磨损量增大，从而改变作动筒两端油液泄漏量的变化。

经典的密封件磨损量计算公式为Archard模型：

其中，V表示磨损体积；L表示磨程；K表示磨损系数；H表示材料硬度；P(t)表示随时间变化的接触压力，即密封圈与相对摩擦的材料表面之间的接触应力，该物理量无法直接测量得到，而需通过摩擦力和摩擦系数间接计算得到。其中参数L为随使用时间累积的函数：

其中，v为作动筒输出轴的速度，通过对其工作时间进行积分，计算得到密封件磨程。由上述式(9)和式(10)可计算得到磨损量。

磨损量的增大会造成密封件与筒壁之间的密封间隙(即磨损高度)改变，密封件的磨损高度由式(9)左右两端同时除以磨损面积S，可得：

由间隙泄漏理论可知油液泄漏中压差导致的泄漏量与磨损高度的关系为：

其中，D表示液压缸内径；Δp表示密封件两端的介质压力差；μ_j表示密封介质的流体动力黏度；L表示密封件与筒壁之间的密封宽度。

将式(11)与式(12)合并，可得到泄漏量计算公式如下：

因此结合机理模型式(14)，在MWorks平台上，实时采集作动筒作动杆状态信息，包括速度信息、载荷信息等，反馈至故障机理模型，结合机理函数计算泄漏量，并将计算结果反馈至作动筒活塞两端的泄漏量参数，如图7所示。

在MWorks平台，将飞机使用场景模型、高升力控制系统操作模型、控制器模型集成到作动器模型，如图8所示，启动仿真计算，自动运行“起飞、巡逻、着陆”场景模型导入的指令信息。

Simulink控制器接受“起飞(u＝20)、巡逻(u＝10)、着陆(u＝30)”不同场景下的输入，并对指令进行解算。

MWorks伺服系统模型接受Simulink不同场景下的输出解算值，通过电磁换向阀阀位切换实现作动筒位移按给定PID控制器指令动作，在此过程中，伺服系统根据Rhapsody场景模型输出的温度变化信息实现液压油压力变化的表征，并将舵面位移输出反馈到Rhapsody场景模型。

考虑故障机理情况，通过故障机理VC++模型加入密封圈磨损机理，设置单次仿真时间为160s，并对单次仿真的磨损量进行累加并计入作为下一次仿真的初始值，启动循环仿真并运行集成模型。

如图9所示，经过1102次仿真运周期行后，随着工作时间增加，造成磨损量逐渐增大，在第1103次运行开始后巡逻阶段的舵面角度误差与预期偏差逐渐增加，此时偏差为0.3°，但其仍满足控制精度要求；在着陆阶段误差为10.8°，偏差绝对值大于0.5°不满足控制精度要求。

本发明设计的一种基于跨层次建模的故障仿真分析方法，通过构建装备级使用场景模型、系统级操作模型、系统故障判据、系统性能模型及故障机理模型之间自上而下的安全性分析要素传递，使系统安全性分析更加符合实际使用环境；通过构建跨层次仿真模型，基于故障机理、系统性能、系统操作失效自下而上的影响关系，分析装备在任务次数和时间累加场景下的系统失效时间，更具完整性和准确性；适用范围广、可分析连续系统与离散系统以及具有耦合关系等复杂特征的系统，同时综合系统组成、元/组件特性、设计性能等，使仿真与设计更加贴合，分析结果具有实际的指导意义。

最后所应说明的是：以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于跨层次建模的故障仿真分析方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、装备级使用场景建模：在装备使用场景信息基础上，搭建装备级使用场景模型，所述装备使用场景信息包括任务信息、环境信息和交联信息；

S2、系统级操作建模：在所述装备级使用场景模型基础上，分析系统装备级至系统级的操作要求及任务、环境和交联信息，并在此基础上搭建系统级操作模型；

S21、构建系统级操作模型元素，所述系统级操作模型元素包括系统级输入指令S_operation、系统使用环境模型S_environment、系统操作阶段

和持续时间

其中j表示系统在每个任务阶段内的操作阶段且j＝1,2,...,m_mission且m_mission表示操作阶段划分总数，所述系统级输入指令S_operation为：

所述系统使用环境模型S_environment为：

S_environment＝{S_temperature,S_humidity,S_salt,S_other} (5)

其中，S_temperature表示系统执行任务所处环境的温度；S_humidity表示系统所处环境湿度；S_salt表示系统所处环境的盐雾；S_other表示系统模型中包含的其他环境因素；

S22、将所述系统级操作模型元素与装备级使用场景模型元素进行关联，并建立起二者之间的传递关系；

S3、系统故障判据确定：在所述系统级操作模型基础上，结合系统安全性性能要求，明确系统故障判据，所述故障判据包括但不仅限于系统性能指标和系统安全性阈值，所述系统性能指标包括装备不同场景下对系统的输入和输出性能要求，所述系统安全性阈值为影响系统功能及性能实现的指标阈值；

S4、系统性能建模：将系统进行层次化分解获得层次化单元，建立层次化单元性能模型，通过集成构建系统性能模型，进而形成装备使用场景——系统操作场景——系统性能模型的跨层级集成模型；

S41、根据组成系统对象特性将系统进行层次化分解：结合系统设计特性及性能建模便捷性分解至合理层级，获得层次化单元；

S42、依据分解后的所述层次化单元不同特性，利用不同的建模语言对所述层次化单元进行建模、验证：依据自底向上的建模原则，结合所述层次化单元的性能描述、逻辑架构、性能指标、接口信息、各元件设计参数及性能，采用参数化的方式建立层次化单元性能模型：

U＝{U₁,U₂,...U_L,...,U_P} (6)

其中，U_L表示所述层次化单元性能模型的第L个性能参数，L＝1,2,…,P；P表示性能参数个数；

S43、将不同所述层次化单元模型进行集成，构建系统性能模型；

S44、将所述系统级操作模型与系统性能模型进行集成，形成装备使用场景——系统操作场景——系统性能模型的跨层级集成模型；

S5、关键部位故障机理建模：针对所述层次化单元中的关键部位，开展失效机理建模，并将其关联至系统性能模型，形成装备使用场景——系统操作场景——系统性能模型并综合失效机理的跨层级综合模型；

S51、基于所述装备级使用场景模型与系统级操作模型元素，分析装备使用及系统操作中与失效机理相关联的影响因素，并将其对失效的影响进行建模，形成以装备使用场景为基础的单元关键部位失效机理模型；

S52、与所述层次化单元性能模型中第U_L个性能参数关联的失效机理描述为函数y_failure，其机理与所述装备级使用场景模型元素与系统级操作模型元素中的部分相关联；

S53、将U_L与函数y_failure进行模型间的参数关联，即在所述跨层级集成模型基础上，将U_L改为表征其失效机理的y_failure；

S6、跨层级综合仿真：在所述跨层级综合模型基础上，启动仿真，实现所述跨层级综合模型的联动运行并观察仿真运行的稳定性；

S7：系统故障仿真分析：在所述跨层级综合模型基础上，启动综合仿真，观测系统在不同故障机理条件下的失效时间。

2.根据权利要求1所述的基于跨层次建模的故障仿真分析方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、构建装备级使用场景模型元素，所述装备级使用场景模型元素包括装备任务模型M、装备环境模型E和装备外部交联模型R，所述装备任务模型M为：

其中，

表示装备所执行任务的阶段；

表示装备任务执行时间及每个阶段的时间模型；M_high表示装备执行任务的高度变化描述；

表示装备模型中包含的其他任务因素；i＝1,2,...,n_mission且n_mission表示任务阶段划分总数；

所述装备环境模型E为：

E＝{E_temperature,E_humidity,E_salt,E_other} (2)

其中，E_temperature表示装备执行任务所处环境的温度；E_humidity表示所处环境湿度；E_salt表示所处环境的盐雾；E_other表示装备模型中包含的其他环境因素；

所述装备外部交联模型R为：

R＝{R_operation,R_other} (3)

其中，R_operation表示操作者的指令；R_other表示其他设备的交互信息；

S12、将所述装备级使用场景模型元素进行关联，并依据实际的影响机理进行建模描述。

3.根据权利要求1所述的基于跨层次建模的故障仿真分析方法，其特征在于，所述步骤S44在所述系统级操作模型基础上，集成所述系统性能模型，将所述系统级输入指令S_operation与系统性能模型的输入指令input进行关联，将所述系统性能模型的输出output反馈至所述系统级操作模型，将其与所述故障判据关联；所述系统性能模型中的输入指令input类型定义与所述系统级输入指令S_operation数据类型一致，其输出output类型与所述故障判据中所述系统性能指标的输出性能要求类型一致。

4.根据权利要求1所述的基于跨层次建模的故障仿真分析方法，其特征在于，所述步骤S7中所述综合仿真包括实时仿真与非实时仿真，所述实时仿真在所述装备级使用场景模型中设置循环，并将集成后的所述跨层级模型加载至实时仿真平台，启动实时仿真运行程序，观察并记录所述故障判据输出结果，直到所述系统性能模型输出超出所述系统安全性阈值，则判定为系统失效，记录对应的仿真运行时间，得到造成系统输出失效的底层单元的失效机理累加时间；所述非实时仿真在仿真平台上设置足够的运行时间，启动任务场景的周期自动运行，观察依靠任务场景驱动的所述跨层次综合模型的输出超出所述系统安全性阈值的时间，得到底层单元失效机理对系统安全性的影响。

5.根据权利要求1所述的基于跨层次建模的故障仿真分析方法，其特征在于，所述步骤S43一方面基于同一建模语言所搭建的层次化单元依据物理架构及信号交联关系进行集成，另一方面应用不同建模语言所搭建的层次化单元模型之间进行集成。

6.根据权利要求1所述的基于跨层次建模的故障仿真分析方法，其特征在于，所述步骤S42中的验证即将层次化单元性能模型信息与仿真分析过程和结果进行对比，将两者误差控制在5％范围之内。

7.根据权利要求1所述的基于跨层次建模的故障仿真分析方法，其特征在于，所述步骤S44中所述系统性能模型中的输入指令input类型与所述系统级输入指令S_operation数据类型均定义为连续的Real型。

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