一种基于Petri网的部件故障属性表征方法
一种基于Petri网的部件故障属性表征方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航空故障测试领域，具体设及一种基于Pe化i网的部件故障属性表征 方法。
【背景技术】
[0002] 虽然近年来四性(可靠性、测试性、安全性W及维修性)研究发展迅速，但均是在一 种割裂状态下进行研究:可靠性部口仅关屯、可靠性指标是否满足设计要求，测试性部口仅 关屯、测试性设计要求，安全性部口仅关屯、安全性设计是否达到设计要求，维修性部分仅关 屯、维修性指标。事实上，四性指标之间存在强关联关系，例如测试性好的飞机可快速识别并 隔离危险W提高安全性，故障的快速识别隔离使得维修时间缩短，又影响着维修性指标;系 统平均维修时间的减少可提高飞机可用度等。忽略四性指标的关联关系将导致系统评估结 果不够准确。
[0003] Petri网是由联邦德国的Garl Adam Petri于1962年在他的博±论文"用自动机通 信"中提出，早期Petri网主要应用于计算机科学相关领域，Petri网是一种网状信息流模 型，在条件和事件为两类节点的有向二分图的基础上加上表示状态信息的托肯分布，并按 照一定的引发规则使得事件驱动状态演变，从而反映系统的动态行为过程。用小矩形或者 短黑线表示事件节点，称为变迁；用小圆圈表示条件节点，称为库所。两个变迁和库所节点 之间通过有向弧连接，由此构成基本的化tri网。
[0004] 在可靠性分析中应用较多的是利用Petri网的逻辑描述能力代替故障树进行系统 可靠性分析建模，常用的逻辑关系"与、或、非"的Petri网表示，从而可W方便的将故障树模 型转换为相应的化化i网模型，实际上简单化化i网并不能对工程系统的故障网络予W分析 评估，必须对简单化tri网注入随机化信息驱动，例如用于系统可靠性分析的随机化tri网， 故障诊断领域的故障化tri网、加入模糊数学方法的模糊故障化tri网等。尽管出现了各类 Petri网，解决了工程系统网状信息的动态表达描述，然而并未设及网络信息流的计算分析 问题。W工程物理系统综合保障的技术观点，最关注的信息流是故障在因果网络中的动态 传播特性和表征方法，为后续可靠性、维修性、测试性、安全性指标计算提供技术条件。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，本发明提供了一种利用动态有色随机化化i表征复杂系统故 障属性的方法。可直接应用于国内各行业开展复杂系统基于故障的可靠性、安全性、维修 性、测试性定量模型构建，为准确表达工程系统单元关联关系和四性指标计算提供有效手 段。
[0006] 本发明基于化tri网的部件故障属性表征方法，主要包括W下步骤：
[0007] 步骤一、对部件的故障模式进行分类；
[000引步骤二、用化tri网的库所表示部件，用库所内的基准托肯表征所述部件的正常工 作状态，用库所内的多个非基准托肯表征所述部件的多个故障模式，其中，所述基准托肯及 非基准托肯为有色托肯，且所述基准托肯与所述多个非基准托肯的颜色互不相同，所述库 所为所述基准托肯与所述非基准托肯的集合；
[0009] 步骤Ξ、建立所述基准托肯向所述非基准托肯的延时变迁W及建立所述非基准托 肯向另一个非基准托肯的瞬时变迁；
[0010] 步骤四、对所述延时变迁及所述瞬时变迁进行量化，同时建立所述延时变迁与所 述瞬时变迁的实施法则，结合绘制的基于化tri网的四性故障表征模型完成基于化tri网的 部件故障属性表征，所述实施法则是指发生所述延时变迁与所述瞬时变迁的触发策略。
[0011] 优选的是，在所述步骤一中，所述部件的故障模式包括由所述部件的物力损伤所 致的多个不同等级的受损性态W及一个由无驱动所致的无故障但不工作性态。
[0012] 在上述方案中优选的是，在所述步骤四中，所述延时变迁的触发条件为自发性功 能故障的状态转移或传播，所述瞬时变迁的触发条件为外部激励作用下所述部件的功能故 障的状态转移或传播。
[0013] 在上述方案中优选的是，在所述步骤四中，所述四性是指可靠性、测试性、安全性 W及维修性。
[0014] 在上述方案中优选的是，所述步骤四包括按照故障表征模型设计部件发生延时变 迁及瞬时变迁的触发策略，并按故障模式的动态特性确定延迟型随机变迁的概率分布参 数，完成基于化tri网的部件故障属性表征。
[0015] 本发明的优点在于:本发明构建了动态有色随机化化i网的建模总体技术思路，提 出了动态随机有色库所的基本概念，并按一般工程元件的物理机制，构建了动态随机有色 库所，运包括功能故障的分类与着色、基准托肯与非基准托肯、延迟型动态随机变迁W及瞬 时型逻辑变迁。构建了动态随机有色库所的符号及图形形式，建立了变迁关联与约束机制 的描述，为复杂工程物理系统"四性"特性分析及技术指标计算提供了手段。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明基于化tri网的部件故障属性表征方法的一优选实施例的流程图。
[0017] 图2为图1所示实施例的可靠性建模与仿真计算的框架图。
[0018] 图3为本发明一优选实施例的交流电源系统的功能原理框图。
[0019] 图4为图3所示实施例的用于可靠性分析的动态随机有色化tri网示意图。
【具体实施方式】
[0020] 为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中 的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类 似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用 于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人 员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下 面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0021] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中屯、"、"纵向横向前"、"后"、 "左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底""内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于附图所 示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装 置或元件必须具有特定的方位、W特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护 范围的限制。
[0022] 本发明基于化tri网的部件故障属性表征方法主要包括W下步骤：
[0023] 步骤一、对部件的故障模式进行分类；
[0024] 步骤二、用化tri网的库所表示部件，用库所内的基准托肯表征所述部件的正常工 作状态，用库所内的多个非基准托肯表征所述部件的多个故障模式，其中，所述基准托肯及 非基准托肯为有色托肯，且所述基准托肯与所述多个非基准托肯的颜色互不相同，所述库 所为所述基准托肯与所述非基准托肯的集合；
[0025] 步骤Ξ、建立所述基准托肯向所述非基准托肯的延时变迁W及建立所述非基准托 肯向另一个非基准托肯的瞬时变迁；
[0026] 步骤四、对所述延时变迁及所述瞬时变迁进行量化，同时建立所述延时变迁与所 述瞬时变迁的实施法则，结合绘制的基于化t ri网的四性故障表征模型完成基于化tri网的 部件故障属性表征，所述实施法则是指发生所述延时变迁与所述瞬时变迁的触发策略
[0027] 如图1所示，W下对各个步骤进行详细说明。
[00巧]首先，在步骤一及步骤二中，WL抓元件为例，L抓是Line Replaceable化it的缩 写，即"快速更换单元"。系统中LRU存在性能退化的必然W及遭受非正常载荷作用的可能， 从而形成其功能障碍，即故障。由于LRU的故障是多模式或多类型的，因此在定义LRU的库所 与托肯之前，需首先建立多故障模式的分类。通过参考工程预报学的危险性分类方法，将一 个LRU元件的多故障模式按色标分为W下五类：
[00巧]I灾难级一一红(畑）；
[0030] Π 严重级--澄(0G);
[0031] 虹轻度级一一黄(YW);
[0032] IV 轻微级一一蓝(BL);
[0033] V特定级--白（WT)。
[0034] 需要说明的是，上述前四类故障应当说源自于L抓物理性态自然的退化或外部非 正常的激励。第五类称谓的"特定类"，定义为LRU的"无故障但不工作"性态，该性态并不属 于L抓元件的物理损伤所致，而属于无驱动输入所致。LRU的该特定类"故障"模式对系统的 危险性可能是极大的（因其不工作而无功能输出的连锁效应所致），但因其特殊性设定为 "特定类"有助于系统的故障诊断定义;更重要的一面在于对一个复杂的网络模型，如不存 在该特定类的设计与定义，在系统的可靠性分析计算中将导致网络模型的"级联"效应而得 到完全错误的结果。因此，对于一个L抓元件，该"特定类"的设置是必须的，而且工程物理 上，导致该状态发生的物理是容易判断的。
[0035] 还需要说明的是，步骤一及步骤二中还对部件的正常工作状态赋予了另外一种颜 色，比如用绿色(GR)来表示。
[0036] 之后，主要是有色库所及托肯定义集合。
[0037] 所谓的定义集合指关于一个问题的多个相联系的有机定义。Petri网的库所(P， Place)及托肯(T，Token)概念已给予了数学上的定义与描述。按照步骤一对LRU的着色故障 说明，W下对LRU的有色库所及托肯进行说明：
[0038] 说明1:工程系统中一个物理的L抓为网络模型的一个库所。
[0039] 说明2:-个库所内的托肯为LRU中可能发生的各类故障模式(包含第五类特定模 式)或各类故障状态，且上述对给类故障的着色色标定义为库所内各托肯的颜色，称为有色 托肯。
[0040] 说明3:-个库所内的基准托肯定义为一个LRU的正常工作状态;而前述定义的库 所内其它托肯为非基准托肯。
[0041] 说明4:一个库所内，基准托肯只有一个，而非基准有色托肯可能多个。可W理解的 是，本实施例中，基准托肯即用绿色来表示的器件的正常工作状态，而非基准有色托肯 下称"非基准托肯"与其一致)指包括"特定级（白色r在内的多个故障模式。
[0042] 说明5:-个库所与基准托肯及非基准托肯的集合，为一个LRU的完整有色库所，因 此，本实施例中，完整的有色库所包括W下六类托肯：
[0043] I灾难级一红(畑）；
[0044] Π 严重级一澄(0G);
[0045] 虹轻度级---黄(YW);
[0046] IV 轻微级一蓝(BL);
[0047] 正常工作状态---绿(GR);
[004引正常却不工作状态---白（WT)。
[0049] 可W理解的是，作为本实施例的一个备选实施方式，在前四类托肯中，若每个LRU/ 子系统/系统同级别故障模式存在多个，按照严重程度又可继续细分，比如将灾难级的故障 模式细分为畑.1、畑.2、畑.3等。
[0050] 在步骤Ξ中，当用多个有色托肯来表征部件的故障或正常运行状态时，需要将上 述状态进行变迁关联。
[0051 ]首先需要说明的是，由于上述基准托肯与非基准托肯都为有色托肯，具有有色托 肯的库所因此称作有色库所，为了能将系统中L抓物理性态自然退化或外部非正常激励形 成多类型故障的机理引入有色库所，从而构成一个完整的网络模型单元，需按化tri网的基 本构成要素对有色库所定义变迁，用变迁来表征L抓从正常工作态到非正常态的定量变化 特性与规律。
[0052] 本实施例中，变迁包括延时变迁W及瞬时变迁，有色库所内的延时变迁为基准托 肯向各有色托肯(非基准托肯)转移的特定关系;瞬时变迁为非基准托肯向其它非基准托肯 转移的特定关系。一个有色库所内存在多个变迁，按照LI?U状态转移的物理机理，运些变迁 可能存在多种不同的性态。变迁的运种性态有W下分类：
[0053] 从时间概念角度，变迁可能是延迟性的，也可能是瞬时性的；
[0054] 从量化的性质角度，变迁可能服从一定分布的随机量，也可能是确定或非确定的 逻辑量。
[0055] 变迁的延迟性质多源于L抓的物理损伤、磨损或老化，而损伤、磨损与老化状态转 移成功能故障又往往是随机的。因此，延迟性变迁(即"延时变迁"，W下等同）服从一定的函 数分布，例如指数分布。于是，延迟性变迁多与随机性质禪合在一起。变迁的瞬时性性质主 要源于外部环境因素或非正常工作状态的突发性激励，运种突发性的激励可能会导致某种 故障模式的发生，因此是确定的或非确定性逻辑量。于是，瞬时变迁又多与逻辑性质相禪 厶 1=1 ο
[0056] 因此，针对上述量化的性质角度，本实施例对变迁进行了量化，即步骤四。
[0057] 实际上，在有色库所内建立变迁集合对于系统网络模型构建与后续计算分析仍然 是不完备的，运其中主要缺项为变迁的实施规则及其相应的约束机制，即需要对基准托肯、 非基准托肯的状态转移变迁间的关联建立工程可行的约束描述或称实施法则，只有运样才 能使工程系统的网络建模技术实用化，同时极大降低后续网络模型分析的难度。
[0058] 下面分别对延时变迁与瞬时变迁进行量化说明。
[0化9] 1)延时变迁
[0060] 变迁的随机性可用随机变量的概率分布予W量化定义，即一个物理元件由正常状 态向非正常状态转移的概率分布特性。变迁的逻辑性多源于外部环境或非正常状态的突发 性激励，确定的逻辑关系为简单的0-1型，复杂的不确定逻辑关系需用概率值(表)表示。
[0061] LRU在工作过程中，由正常工作功能转变为某种功能障碍的时间（或寿命)是随机 的，当然，随时间历程的增大，运种发生功能障碍的概率值Ρ增大，表达式为：
[0062]
[0063] 其中，X即为时间或寿命;f(T)为概率密度函数。
[0064] 曲线趋向于1是确定的，但趋于1的快慢取决于概率密度函数f(T)的具体形式及其 参数数值的大小。按网路模型的描述，需要对有色库所内基准托肯向非基准托肯的状态转 移变迁(延时变迁)设置为曲线的时间函数形式。
[0065] 本实施例中，确定的逻辑关系是指当外部突发性激励(可能是复杂关联的激励)作 用于一个有色库所的基准托肯，而基准托肯必将转移于某个有色托肯，即或"0"或"Γ非确 定的逻辑关系是指一个物理元件由正常态 向非正常态转移的概率分布特性。于是，按照一 个复杂工程机电系统LRU元件的一般性物理概念来说，一个有色库所内随机型变迁有W下 量化属性：
[006引指数分布:Exp(丫）；
[0067]正态分布:Normal (μ, σ);
[006引双参数韦伯分布:Weibull(a，0);
[0069] Ξ参数韦伯分布:Weibull(m，ri，丫）。
[0070] 指数分布常用于电器元件的变迁概率描述;其他Ξ种概率分布常用于机械传动部 件、液压部件或机电部件的变迁概率描述。
[0071] 2)瞬时变迁
[0072] 有色库所内的逻辑型变迁是瞬态的，并不存在动态特性的概念，但该类变迁的触 发受系统上游部件发生功能障碍的特性所决定。瞬时变迁又分为W下几类:表示确定性逻 辑的变迁、表示NG型传播关系的变迁(某个LRU中1个已知故障模式对应1个结果故障模式）、 表示化型传播关系的变迁(1个或多个LRU中已知的故障模式对应1个结果故障模式）W及表 示化型（1个或多个LRU中多个故障模式对应1个结果故障模式)传播关系的变迁。后Ξ类变 迁类型均为非确定性逻辑变迁。其中，NG型变迁与一概率值对应;型变迁与一概率值对 应;i^L类变迁与一概率值表对应。
[0073] 变迁的实施法则分为两个层次，即基准托肯向非基准托肯的转移变迁实施方法， w及非基准托肯间的状态转移变迁实施方法。
[0074] 建立基准托肯向非基准托肯的状态转移的变迁实施法则是指自发性功能故障的 状态转移或传播情形，并不包括外部触发条件作用下的功能故障传播。该类变迁实施的限 制性策略为:一个动态随机有色库所的基准托肯向有色托肯的状态转移变迁中一个时刻只 可能有一个可实施，即在某时刻由于内因仅能发生一种故障模式。在技术处理上，哪个变迁 进入实施态是由均匀概率抽样决定的。
[0075] 有色托肯间的状态转移变迁实施法则是指一个LRU受到外部激励作用下功能故障 的状态转移或传播情形。对此变迁设计的限制性策略为:一个动态随机有色库所的有色托 肯状态转移变迁不允许两个或两个W上同时可实施，即同一时刻，某LRU/子系统/系统只出 现一种故障模式，当同时出现两种故障模式时，选择最为严重的故障模式作为该LRU/子系 统/系统的故障模式。在技术处理上，哪个变迁可W被触发由蒙特卡洛仿真抽样W及该变迁 对应的概率值(表)决定。
[0076] 设置有色托肯状态转移变迁的限制性条件存在两方面意义:其一，在建立上游关 联库所有色变迁状态转移到既定库所有色托肯的可实施性信息数据时，不考虑上游关联库 所有色托肯的并发可能，只要考虑上游关联库所中每一有色托肯向既定库所每一有色托肯 的状态转移变迁数据(称为一对多数据信息），而不计及上游关联库所中两个或W上有色托 肯向既定库所多于一个的有色托肯的状态转移变迁数据(称为多对多数据信息）。其二，库 所内的有色托肯的状态转移变迁在动态历程中不能有两个或W上同时可实施(并发）的意 义还在于使复杂系统的网络定量分析可行，否则需要制定复杂的计算策略，需求更大的计 算机硬件资源，W及需要更大的信息数据资源。
[0077] 之后建立基于Pe化i网的四性故障表征模型完成基于Pe化i网的部件故障属性表 征。
[0078] 本实施例W建立动态有色随机化tri网可靠性模型为例进行说明。
[0079] 对于动态随机有色化化i网的工程化建模方法，首先通过采用规格化的数据表方 式建立工程复杂系统的故障原始信息，由用户/建模者按已设计的规格化数据表填写信息 数据。该部分规格化表格包括3类，前两类表格分别对系统包含的所有子系统、各子系统包 含的L抓进行了梳理统计，比如第一类表格中包含系统(器件）名称、代码、主要功能简要说 明、包含的二级子系统(子器件)数目，子系统(子器件)代码;再比如第二类表格中包含子系 统(子器件)名称、代码、主要功能简要说明、包含的LUR数目W及LRU代码。
[0080] 第Ξ类表格统计系统中各LRU的所有直接输入，对系统的功能流进行梳理与描述。
[0081] 之后，建立故障信息统计表，包括系统级故障信息汇总表、子系统级故障信息汇总 表W及LRU可靠性信息表。比如，在LRU可靠性信息表中包含代码、名称、功能、故障模式、故 障发生概率等等，其中，故障模式包含色标关键字W及子码，可W理解的是，运里的色标关 键字即为本实施例中第二步对故障进行的有色分类，形成的有色故障模式(非基准托肯）， 故障发生概率项中，包含分布列，该列内填入说明中的概率分布关键字，或填入"Dsr，表述 离散概率型，填入"Dsr关键字后，需在相应的参数行第一格内填入离散概率值。
[0082] 随后，建立故障传播表，用于WLRU为单元，建立系统或子系统中的故障传播路径， 并对各故障传播途径中的相关技术参数给予完整描述，是化tri网建模过程中最复杂、繁琐 部分，很大程度上取决于建模者对系统的认知程度。该部分所建立起的系统或子系统故障 传播途径及其技术参数既是化tri网模型的基础支撑数据，又是化tri网模型的结构基础数 据，其目的与意义在于局域化直接的方式梳理系统或子系统的"故障因果传播"路径，同 时建立"故障传播"路径中的作用影响关系及其发生概率，W完成Pe化i网模型中一个库所 发生托肯转移的全部外因及其概率参数。如表1所示。
[0083] 表1、故障模式传播信息表
[0084]
[0085] 可W理解的是，建立故障信息统计表基本目的与意义在于：
[0086] 1)完整建立系统中各LI?U元件的内因故障率/故障概率信息，作为化化i网模型中 一个库所内基准托肯的延时变迁参数；
[0087] 2)结合工程预报学的危险性分类方法，按照故障对系统危及的严重程度建立各 LRU/子系统/系统故障模式分类，从而形成工程系统可靠性及安全性分析的基础数据。
[0088] 其次通过计算机对数据表中数据进行初步捜索，整理形成计算机可读及可处理的 Petri网模型可靠性数据库。
[0089] 利用Pe化i网图形化特征和计算机遍历捜索算法，将"原始数据表"转换为可靠性 动态随机Pe化i网模型（模型数据库），计算机可W按照Pe化i网模型直接操作数据库中数 据，从而完成对Petri网模型数值仿真，获得系统/子系统的可靠性计算分析。所述可靠性建 模与仿真计算的框架图如图2所示。
[0090] 本发明基于化tri网的部件故障属性表征方法的技术要点在于：
[0091] 两类库所:L抓正常工作状态的库所，每个L抓对应唯一的该类库所。L抓/子系统/ 系统故障状态的库所，每个L抓/子系统/系统对应唯一的该类库所。LRU/子系统/系统存在 多种故障模式，每种故障模式对应一个有色托肯，故该类库所可存在多个有色托肯。
[0092] 两类变迁:延时变迁:表示LRU正常工作状态到LRU某故障模式的演化过程（内因）。 该类变迁一般服从某个概率分布函数;如果LRU存在η个故障模式(不包括正常但不工作模 式），那么该LRU就有η个运样的延时变迁。瞬时变迁:表示故障传播途径的诱因（外因变迁）。 根据故障传播的类型，瞬时变迁又分为表示确定性逻辑的变迁、表示NG 型传播关系的变迁、 表示化型传播关系的变迁W及表示化型传播关系的变迁。六类托肯：I灾难级---红(RD); Π 严重级---澄(0G);虹轻度级---黄(YW) ;IV轻微级---蓝(BL);正常工作状态---绿(GR);正 常却不工作状态---白（WT)。
[0093] 在前四类托肯中，若每个LRU/子系统/系统同级别故障模式存在多个，按照严重程 度又可细分为畑.1、畑.2、畑.3等。
[0094] 两类有向流:L抓正常工作模式^延时变迁抓故障模式（内因故障）；LRU/子系 统/系统故障模式^瞬时变迁^LRU/子系统/系统故障模式(外因故障传播）。
[0095] 遍历捜索算法，通过构建用于可靠性分析的数据库结构，采用遍历捜索算法，将 "原始数据表"转化为"可靠性模型数据库"。可靠性数据库包含两个文件夹:Basic_Data_ Rel lability W及化ult_P;rop。运两个文件夹作为用于可靠性分析的动态随机有色化化i网 模型数据。
[0096] 本发明的优点在于:本发明构建了动态有色随机化化i网的建模总体技术思路，提 出了动态随机有色库所的基本概念，并按一般工程元件的物理机制，赋予了动态随机有色 库所的完整定义，运包括功能故障的分类与着色、基准托肯与非基准托肯、延迟型动态随机 变迁W及瞬时型逻辑变迁。定义了动态随机有色库所的符号及图形形式，建立了变迁关联 与约束机制的描述，为复杂工程物理系统"四性"特性分析及技术指标计算提供了手段。
[0097] 下面再W飞机交流电源系统为例进行简要说明。
[009引机交流电源系统共采用六个主电路接触器:左、右发电机接触器(LGR、RGR)，左、右 交流连接接触器(LACTR、RACTR)，APU发电机接触器(AGR)和外电源接触器化PR)。主电路接 触器由发电机控制器(GCU)进行协调控制，对接触器L ACTR和R ACTR的控制可分为一次控 制和二次控制。交流应急转换接触器(ACETR)和交流单相应急接触器(AC1ER)通过飞机线路 由继电器逻辑电路进行控制。其中，左侧交流电源系统的功能原理框图见图3。该图包括18 个LRU，各LRU的故障模式及其基本信息见表2。
[0099] 表2、左侧交流电源原始数据信息
[0100]
[0101] 针对该左侧交流电源系统，建立用于可靠性分析的动态随机有色化tri网，见图4。 从图4中可读出系统所有的故障传播路径W及每个瞬时变迁的发生概率。其中，存在非确定 性逻辑关系，该逻辑关系的瞬时变迁不仅仅对应一个概率值，而是对应一组概率值。传播路 径的过多使得图4过于繁杂，故进行简化，简化后的有向线段不再是由托肯指向托肯，而是 由库所指向库所，从而使得LRU之间的传播关系更清晰、简洁。
[0102] 需要说明的是，图4中表含有Ξ色托肯的圆中，空屯、圆为白色，表示特定级，即正常 但不工作状态，其与的两个颜色为红色-重型故障和黄色-轻型故障，其中，左侧、上侧为红 色，右侧、下侧为黄色;仅有一个颜色(小圆）托肯的圆中，该托肯为绿色，即部件正常工作， 实际操作过程中，是W颜色对托肯进行标注的。
[0103] W上为可靠性分析，而在测试性分析中，是在故障传播路径信息的基础上添加检 测点W及检测项信息，测试性分析是在故障空间建模的，不设及节点的正常模式，将所有表 示正常节点的库所和变迁剔除掉，然后再此基础上添加表示测试信息的库所、变迁和托肯， 建立测试性分析的动态随机有色化化i网，之后，对上述有色化化i网中的L抓元件故障模式 进行可达性分析后，得到相关矩阵，所述矩阵的横列表示部件正常工作状态的模式，竖列为 18个LRU部件及L抓的Ξ个其它模式，该其它模式为故障模式，根据相关矩阵即可得到不可 检测故障情况、故障检测率、冗余测试情况、模糊组情况等。
[0104] 最后需要指出的是：W上实施例仅用W说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽 管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然 可W对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替 换;而运些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精 神和范围。
【主权项】
1. 一种基于Petri网的部件故障属性表征方法，其特征在于，包括： 步骤一、对部件的故障模式进行分类； 步骤二、用Petri网的库所表示部件，用库所内的基准托肯表征所述部件的正常工作状 态，用库所内的多个非基准托肯表征所述部件的多个故障模式，其中，所述基准托肯及非基 准托肯为有色托肯，且所述基准托肯与所述多个非基准托肯的颜色互不相同，所述库所为 所述基准托肯与所述非基准托肯的集合； 步骤三、建立所述基准托肯向所述非基准托肯的延时变迀以及建立所述非基准托肯向 另一个非基准托肯的瞬时变迀； 步骤四、对所述延时变迀及所述瞬时变迀进行量化，同时建立所述延时变迀与所述瞬 时变迀的实施法则，结合绘制的基于Petri网的四性故障表征模型完成基于Petri网的部件 故障属性表征，所述实施法则是指发生所述延时变迀与所述瞬时变迀的触发策略。2. 如权利要求1所述的基于Petri网的部件故障属性表征方法，其特征在于:在所述步 骤一中，所述部件的故障模式包括由所述部件的物力损伤所致的多个不同等级的受损性态 以及一个由无驱动所致的无故障但不工作性态。3. 如权利要求1所述的基于Petri网的部件故障属性表征方法，其特征在于:在所述步 骤四中，所述延时变迀的触发条件为自发性功能故障的状态转移或传播，所述瞬时变迀的 触发条件为外部激励作用下所述部件的功能故障的状态转移或传播。4. 如权利要求1所述的基于Petri网的部件故障属性表征方法，其特征在于:在所述步 骤四中，所述四性是指可靠性、测试性、安全性以及维修性。5. 如权利要求1所述的基于Petri网的部件故障属性表征方法，其特征在于:所述步骤 四包括按照故障表征模型设计部件发生延时变迀及瞬时变迀的触发策略，并按故障模式的 动态特性确定延迟型随机变迀的概率分布参数，完成基于Petri网的部件故障属性表征。
【专利摘要】本发明公开了一种基于Petri网的部件故障属性表征方法，属于航空故障测试领域，涉及一种利用动态有色随机Petri网对飞机复杂系统故障属性进行表征的方法。所述的表达故障的动态有色随机Petri网主要参考工程预报学的危险性分类方法，对故障对应的托肯进行着色，构建产品故障信息与Petri网有色库所及托肯的映射，对库所内变迁定义、性质、关联约束等进行故障属性表征，建立了变迁关联与约束机制的描述，形成了工程实用意义上的完备动态随机有色库所；最后从工程化实用技术角度出发，提出了完整的动态有色随机Petri网建模技术框架，为复杂工程物理系统“四性”特性分析及技术指标计算提供了手段。
【IPC分类】G06K9/62
【公开号】CN105488537
【申请号】CN201510923733
【发明人】严拴航, 薛海红, 李雅琳, 郭鹏
【申请人】中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月11日
【技术领域】
[0001] 本发明属于航空故障测试领域，具体设及一种基于Pe化i网的部件故障属性表征 方法。
【背景技术】
[0002] 虽然近年来四性(可靠性、测试性、安全性W及维修性)研究发展迅速，但均是在一 种割裂状态下进行研究:可靠性部口仅关屯、可靠性指标是否满足设计要求，测试性部口仅 关屯、测试性设计要求，安全性部口仅关屯、安全性设计是否达到设计要求，维修性部分仅关 屯、维修性指标。事实上，四性指标之间存在强关联关系，例如测试性好的飞机可快速识别并 隔离危险W提高安全性，故障的快速识别隔离使得维修时间缩短，又影响着维修性指标;系 统平均维修时间的减少可提高飞机可用度等。忽略四性指标的关联关系将导致系统评估结 果不够准确。
[0003] Petri网是由联邦德国的Garl Adam Petri于1962年在他的博±论文"用自动机通 信"中提出，早期Petri网主要应用于计算机科学相关领域，Petri网是一种网状信息流模 型，在条件和事件为两类节点的有向二分图的基础上加上表示状态信息的托肯分布，并按 照一定的引发规则使得事件驱动状态演变，从而反映系统的动态行为过程。用小矩形或者 短黑线表示事件节点，称为变迁；用小圆圈表示条件节点，称为库所。两个变迁和库所节点 之间通过有向弧连接，由此构成基本的化tri网。
[0004] 在可靠性分析中应用较多的是利用Petri网的逻辑描述能力代替故障树进行系统 可靠性分析建模，常用的逻辑关系"与、或、非"的Petri网表示，从而可W方便的将故障树模 型转换为相应的化化i网模型，实际上简单化化i网并不能对工程系统的故障网络予W分析 评估，必须对简单化tri网注入随机化信息驱动，例如用于系统可靠性分析的随机化tri网， 故障诊断领域的故障化tri网、加入模糊数学方法的模糊故障化tri网等。尽管出现了各类 Petri网，解决了工程系统网状信息的动态表达描述，然而并未设及网络信息流的计算分析 问题。W工程物理系统综合保障的技术观点，最关注的信息流是故障在因果网络中的动态 传播特性和表征方法，为后续可靠性、维修性、测试性、安全性指标计算提供技术条件。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，本发明提供了一种利用动态有色随机化化i表征复杂系统故 障属性的方法。可直接应用于国内各行业开展复杂系统基于故障的可靠性、安全性、维修 性、测试性定量模型构建，为准确表达工程系统单元关联关系和四性指标计算提供有效手 段。
[0006] 本发明基于化tri网的部件故障属性表征方法，主要包括W下步骤：
[0007] 步骤一、对部件的故障模式进行分类；
[000引步骤二、用化tri网的库所表示部件，用库所内的基准托肯表征所述部件的正常工 作状态，用库所内的多个非基准托肯表征所述部件的多个故障模式，其中，所述基准托肯及 非基准托肯为有色托肯，且所述基准托肯与所述多个非基准托肯的颜色互不相同，所述库 所为所述基准托肯与所述非基准托肯的集合；
[0009] 步骤Ξ、建立所述基准托肯向所述非基准托肯的延时变迁W及建立所述非基准托 肯向另一个非基准托肯的瞬时变迁；
[0010] 步骤四、对所述延时变迁及所述瞬时变迁进行量化，同时建立所述延时变迁与所 述瞬时变迁的实施法则，结合绘制的基于化tri网的四性故障表征模型完成基于化tri网的 部件故障属性表征，所述实施法则是指发生所述延时变迁与所述瞬时变迁的触发策略。
[0011] 优选的是，在所述步骤一中，所述部件的故障模式包括由所述部件的物力损伤所 致的多个不同等级的受损性态W及一个由无驱动所致的无故障但不工作性态。
[0012] 在上述方案中优选的是，在所述步骤四中，所述延时变迁的触发条件为自发性功 能故障的状态转移或传播，所述瞬时变迁的触发条件为外部激励作用下所述部件的功能故 障的状态转移或传播。
[0013] 在上述方案中优选的是，在所述步骤四中，所述四性是指可靠性、测试性、安全性 W及维修性。
[0014] 在上述方案中优选的是，所述步骤四包括按照故障表征模型设计部件发生延时变 迁及瞬时变迁的触发策略，并按故障模式的动态特性确定延迟型随机变迁的概率分布参 数，完成基于化tri网的部件故障属性表征。
[0015] 本发明的优点在于:本发明构建了动态有色随机化化i网的建模总体技术思路，提 出了动态随机有色库所的基本概念，并按一般工程元件的物理机制，构建了动态随机有色 库所，运包括功能故障的分类与着色、基准托肯与非基准托肯、延迟型动态随机变迁W及瞬 时型逻辑变迁。构建了动态随机有色库所的符号及图形形式，建立了变迁关联与约束机制 的描述，为复杂工程物理系统"四性"特性分析及技术指标计算提供了手段。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明基于化tri网的部件故障属性表征方法的一优选实施例的流程图。
[0017] 图2为图1所示实施例的可靠性建模与仿真计算的框架图。
[0018] 图3为本发明一优选实施例的交流电源系统的功能原理框图。
[0019] 图4为图3所示实施例的用于可靠性分析的动态随机有色化tri网示意图。
【具体实施方式】
[0020] 为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中 的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类 似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用 于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人 员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下 面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0021] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中屯、"、"纵向横向前"、"后"、 "左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底""内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于附图所 示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装 置或元件必须具有特定的方位、W特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护 范围的限制。
[0022] 本发明基于化tri网的部件故障属性表征方法主要包括W下步骤：
[0023] 步骤一、对部件的故障模式进行分类；
[0024] 步骤二、用化tri网的库所表示部件，用库所内的基准托肯表征所述部件的正常工 作状态，用库所内的多个非基准托肯表征所述部件的多个故障模式，其中，所述基准托肯及 非基准托肯为有色托肯，且所述基准托肯与所述多个非基准托肯的颜色互不相同，所述库 所为所述基准托肯与所述非基准托肯的集合；
[0025] 步骤Ξ、建立所述基准托肯向所述非基准托肯的延时变迁W及建立所述非基准托 肯向另一个非基准托肯的瞬时变迁；
[0026] 步骤四、对所述延时变迁及所述瞬时变迁进行量化，同时建立所述延时变迁与所 述瞬时变迁的实施法则，结合绘制的基于化t ri网的四性故障表征模型完成基于化tri网的 部件故障属性表征，所述实施法则是指发生所述延时变迁与所述瞬时变迁的触发策略
[0027] 如图1所示，W下对各个步骤进行详细说明。
[00巧]首先，在步骤一及步骤二中，WL抓元件为例，L抓是Line Replaceable化it的缩 写，即"快速更换单元"。系统中LRU存在性能退化的必然W及遭受非正常载荷作用的可能， 从而形成其功能障碍，即故障。由于LRU的故障是多模式或多类型的，因此在定义LRU的库所 与托肯之前，需首先建立多故障模式的分类。通过参考工程预报学的危险性分类方法，将一 个LRU元件的多故障模式按色标分为W下五类：
[00巧]I灾难级一一红(畑）；
[0030] Π 严重级--澄(0G);
[0031] 虹轻度级一一黄(YW);
[0032] IV 轻微级一一蓝(BL);
[0033] V特定级--白（WT)。
[0034] 需要说明的是，上述前四类故障应当说源自于L抓物理性态自然的退化或外部非 正常的激励。第五类称谓的"特定类"，定义为LRU的"无故障但不工作"性态，该性态并不属 于L抓元件的物理损伤所致，而属于无驱动输入所致。LRU的该特定类"故障"模式对系统的 危险性可能是极大的（因其不工作而无功能输出的连锁效应所致），但因其特殊性设定为 "特定类"有助于系统的故障诊断定义;更重要的一面在于对一个复杂的网络模型，如不存 在该特定类的设计与定义，在系统的可靠性分析计算中将导致网络模型的"级联"效应而得 到完全错误的结果。因此，对于一个L抓元件，该"特定类"的设置是必须的，而且工程物理 上，导致该状态发生的物理是容易判断的。
[0035] 还需要说明的是，步骤一及步骤二中还对部件的正常工作状态赋予了另外一种颜 色，比如用绿色(GR)来表示。
[0036] 之后，主要是有色库所及托肯定义集合。
[0037] 所谓的定义集合指关于一个问题的多个相联系的有机定义。Petri网的库所(P， Place)及托肯(T，Token)概念已给予了数学上的定义与描述。按照步骤一对LRU的着色故障 说明，W下对LRU的有色库所及托肯进行说明：
[0038] 说明1:工程系统中一个物理的L抓为网络模型的一个库所。
[0039] 说明2:-个库所内的托肯为LRU中可能发生的各类故障模式(包含第五类特定模 式)或各类故障状态，且上述对给类故障的着色色标定义为库所内各托肯的颜色，称为有色 托肯。
[0040] 说明3:-个库所内的基准托肯定义为一个LRU的正常工作状态;而前述定义的库 所内其它托肯为非基准托肯。
[0041] 说明4:一个库所内，基准托肯只有一个，而非基准有色托肯可能多个。可W理解的 是，本实施例中，基准托肯即用绿色来表示的器件的正常工作状态，而非基准有色托肯 下称"非基准托肯"与其一致)指包括"特定级（白色r在内的多个故障模式。
[0042] 说明5:-个库所与基准托肯及非基准托肯的集合，为一个LRU的完整有色库所，因 此，本实施例中，完整的有色库所包括W下六类托肯：
[0043] I灾难级一红(畑）；
[0044] Π 严重级一澄(0G);
[0045] 虹轻度级---黄(YW);
[0046] IV 轻微级一蓝(BL);
[0047] 正常工作状态---绿(GR);
[004引正常却不工作状态---白（WT)。
[0049] 可W理解的是，作为本实施例的一个备选实施方式，在前四类托肯中，若每个LRU/ 子系统/系统同级别故障模式存在多个，按照严重程度又可继续细分，比如将灾难级的故障 模式细分为畑.1、畑.2、畑.3等。
[0050] 在步骤Ξ中，当用多个有色托肯来表征部件的故障或正常运行状态时，需要将上 述状态进行变迁关联。
[0051 ]首先需要说明的是，由于上述基准托肯与非基准托肯都为有色托肯，具有有色托 肯的库所因此称作有色库所，为了能将系统中L抓物理性态自然退化或外部非正常激励形 成多类型故障的机理引入有色库所，从而构成一个完整的网络模型单元，需按化tri网的基 本构成要素对有色库所定义变迁，用变迁来表征L抓从正常工作态到非正常态的定量变化 特性与规律。
[0052] 本实施例中，变迁包括延时变迁W及瞬时变迁，有色库所内的延时变迁为基准托 肯向各有色托肯(非基准托肯)转移的特定关系;瞬时变迁为非基准托肯向其它非基准托肯 转移的特定关系。一个有色库所内存在多个变迁，按照LI?U状态转移的物理机理，运些变迁 可能存在多种不同的性态。变迁的运种性态有W下分类：
[0053] 从时间概念角度，变迁可能是延迟性的，也可能是瞬时性的；
[0054] 从量化的性质角度，变迁可能服从一定分布的随机量，也可能是确定或非确定的 逻辑量。
[0055] 变迁的延迟性质多源于L抓的物理损伤、磨损或老化，而损伤、磨损与老化状态转 移成功能故障又往往是随机的。因此，延迟性变迁(即"延时变迁"，W下等同）服从一定的函 数分布，例如指数分布。于是，延迟性变迁多与随机性质禪合在一起。变迁的瞬时性性质主 要源于外部环境因素或非正常工作状态的突发性激励，运种突发性的激励可能会导致某种 故障模式的发生，因此是确定的或非确定性逻辑量。于是，瞬时变迁又多与逻辑性质相禪 厶 1=1 ο
[0056] 因此，针对上述量化的性质角度，本实施例对变迁进行了量化，即步骤四。
[0057] 实际上，在有色库所内建立变迁集合对于系统网络模型构建与后续计算分析仍然 是不完备的，运其中主要缺项为变迁的实施规则及其相应的约束机制，即需要对基准托肯、 非基准托肯的状态转移变迁间的关联建立工程可行的约束描述或称实施法则，只有运样才 能使工程系统的网络建模技术实用化，同时极大降低后续网络模型分析的难度。
[0058] 下面分别对延时变迁与瞬时变迁进行量化说明。
[0化9] 1)延时变迁
[0060] 变迁的随机性可用随机变量的概率分布予W量化定义，即一个物理元件由正常状 态向非正常状态转移的概率分布特性。变迁的逻辑性多源于外部环境或非正常状态的突发 性激励，确定的逻辑关系为简单的0-1型，复杂的不确定逻辑关系需用概率值(表)表示。
[0061] LRU在工作过程中，由正常工作功能转变为某种功能障碍的时间（或寿命)是随机 的，当然，随时间历程的增大，运种发生功能障碍的概率值Ρ增大，表达式为：
[0062]
[0063] 其中，X即为时间或寿命;f(T)为概率密度函数。
[0064] 曲线趋向于1是确定的，但趋于1的快慢取决于概率密度函数f(T)的具体形式及其 参数数值的大小。按网路模型的描述，需要对有色库所内基准托肯向非基准托肯的状态转 移变迁(延时变迁)设置为曲线的时间函数形式。
[0065] 本实施例中，确定的逻辑关系是指当外部突发性激励(可能是复杂关联的激励)作 用于一个有色库所的基准托肯，而基准托肯必将转移于某个有色托肯，即或"0"或"Γ非确 定的逻辑关系是指一个物理元件由正常态 向非正常态转移的概率分布特性。于是，按照一 个复杂工程机电系统LRU元件的一般性物理概念来说，一个有色库所内随机型变迁有W下 量化属性：
[006引指数分布:Exp(丫）；
[0067]正态分布:Normal (μ, σ);
[006引双参数韦伯分布:Weibull(a，0);
[0069] Ξ参数韦伯分布:Weibull(m，ri，丫）。
[0070] 指数分布常用于电器元件的变迁概率描述;其他Ξ种概率分布常用于机械传动部 件、液压部件或机电部件的变迁概率描述。
[0071] 2)瞬时变迁
[0072] 有色库所内的逻辑型变迁是瞬态的，并不存在动态特性的概念，但该类变迁的触 发受系统上游部件发生功能障碍的特性所决定。瞬时变迁又分为W下几类:表示确定性逻 辑的变迁、表示NG型传播关系的变迁(某个LRU中1个已知故障模式对应1个结果故障模式）、 表示化型传播关系的变迁(1个或多个LRU中已知的故障模式对应1个结果故障模式）W及表 示化型（1个或多个LRU中多个故障模式对应1个结果故障模式)传播关系的变迁。后Ξ类变 迁类型均为非确定性逻辑变迁。其中，NG型变迁与一概率值对应;型变迁与一概率值对 应;i^L类变迁与一概率值表对应。
[0073] 变迁的实施法则分为两个层次，即基准托肯向非基准托肯的转移变迁实施方法， w及非基准托肯间的状态转移变迁实施方法。
[0074] 建立基准托肯向非基准托肯的状态转移的变迁实施法则是指自发性功能故障的 状态转移或传播情形，并不包括外部触发条件作用下的功能故障传播。该类变迁实施的限 制性策略为:一个动态随机有色库所的基准托肯向有色托肯的状态转移变迁中一个时刻只 可能有一个可实施，即在某时刻由于内因仅能发生一种故障模式。在技术处理上，哪个变迁 进入实施态是由均匀概率抽样决定的。
[0075] 有色托肯间的状态转移变迁实施法则是指一个LRU受到外部激励作用下功能故障 的状态转移或传播情形。对此变迁设计的限制性策略为:一个动态随机有色库所的有色托 肯状态转移变迁不允许两个或两个W上同时可实施，即同一时刻，某LRU/子系统/系统只出 现一种故障模式，当同时出现两种故障模式时，选择最为严重的故障模式作为该LRU/子系 统/系统的故障模式。在技术处理上，哪个变迁可W被触发由蒙特卡洛仿真抽样W及该变迁 对应的概率值(表)决定。
[0076] 设置有色托肯状态转移变迁的限制性条件存在两方面意义:其一，在建立上游关 联库所有色变迁状态转移到既定库所有色托肯的可实施性信息数据时，不考虑上游关联库 所有色托肯的并发可能，只要考虑上游关联库所中每一有色托肯向既定库所每一有色托肯 的状态转移变迁数据(称为一对多数据信息），而不计及上游关联库所中两个或W上有色托 肯向既定库所多于一个的有色托肯的状态转移变迁数据(称为多对多数据信息）。其二，库 所内的有色托肯的状态转移变迁在动态历程中不能有两个或W上同时可实施(并发）的意 义还在于使复杂系统的网络定量分析可行，否则需要制定复杂的计算策略，需求更大的计 算机硬件资源，W及需要更大的信息数据资源。
[0077] 之后建立基于Pe化i网的四性故障表征模型完成基于Pe化i网的部件故障属性表 征。
[0078] 本实施例W建立动态有色随机化tri网可靠性模型为例进行说明。
[0079] 对于动态随机有色化化i网的工程化建模方法，首先通过采用规格化的数据表方 式建立工程复杂系统的故障原始信息，由用户/建模者按已设计的规格化数据表填写信息 数据。该部分规格化表格包括3类，前两类表格分别对系统包含的所有子系统、各子系统包 含的L抓进行了梳理统计，比如第一类表格中包含系统(器件）名称、代码、主要功能简要说 明、包含的二级子系统(子器件)数目，子系统(子器件)代码;再比如第二类表格中包含子系 统(子器件)名称、代码、主要功能简要说明、包含的LUR数目W及LRU代码。
[0080] 第Ξ类表格统计系统中各LRU的所有直接输入，对系统的功能流进行梳理与描述。
[0081] 之后，建立故障信息统计表，包括系统级故障信息汇总表、子系统级故障信息汇总 表W及LRU可靠性信息表。比如，在LRU可靠性信息表中包含代码、名称、功能、故障模式、故 障发生概率等等，其中，故障模式包含色标关键字W及子码，可W理解的是，运里的色标关 键字即为本实施例中第二步对故障进行的有色分类，形成的有色故障模式(非基准托肯）， 故障发生概率项中，包含分布列，该列内填入说明中的概率分布关键字，或填入"Dsr，表述 离散概率型，填入"Dsr关键字后，需在相应的参数行第一格内填入离散概率值。
[0082] 随后，建立故障传播表，用于WLRU为单元，建立系统或子系统中的故障传播路径， 并对各故障传播途径中的相关技术参数给予完整描述，是化tri网建模过程中最复杂、繁琐 部分，很大程度上取决于建模者对系统的认知程度。该部分所建立起的系统或子系统故障 传播途径及其技术参数既是化tri网模型的基础支撑数据，又是化tri网模型的结构基础数 据，其目的与意义在于局域化直接的方式梳理系统或子系统的"故障因果传播"路径，同 时建立"故障传播"路径中的作用影响关系及其发生概率，W完成Pe化i网模型中一个库所 发生托肯转移的全部外因及其概率参数。如表1所示。
[0083] 表1、故障模式传播信息表
[0084]
[0085] 可W理解的是，建立故障信息统计表基本目的与意义在于：
[0086] 1)完整建立系统中各LI?U元件的内因故障率/故障概率信息，作为化化i网模型中 一个库所内基准托肯的延时变迁参数；
[0087] 2)结合工程预报学的危险性分类方法，按照故障对系统危及的严重程度建立各 LRU/子系统/系统故障模式分类，从而形成工程系统可靠性及安全性分析的基础数据。
[0088] 其次通过计算机对数据表中数据进行初步捜索，整理形成计算机可读及可处理的 Petri网模型可靠性数据库。
[0089] 利用Pe化i网图形化特征和计算机遍历捜索算法，将"原始数据表"转换为可靠性 动态随机Pe化i网模型（模型数据库），计算机可W按照Pe化i网模型直接操作数据库中数 据，从而完成对Petri网模型数值仿真，获得系统/子系统的可靠性计算分析。所述可靠性建 模与仿真计算的框架图如图2所示。
[0090] 本发明基于化tri网的部件故障属性表征方法的技术要点在于：
[0091] 两类库所:L抓正常工作状态的库所，每个L抓对应唯一的该类库所。L抓/子系统/ 系统故障状态的库所，每个L抓/子系统/系统对应唯一的该类库所。LRU/子系统/系统存在 多种故障模式，每种故障模式对应一个有色托肯，故该类库所可存在多个有色托肯。
[0092] 两类变迁:延时变迁:表示LRU正常工作状态到LRU某故障模式的演化过程（内因）。 该类变迁一般服从某个概率分布函数;如果LRU存在η个故障模式(不包括正常但不工作模 式），那么该LRU就有η个运样的延时变迁。瞬时变迁:表示故障传播途径的诱因（外因变迁）。 根据故障传播的类型，瞬时变迁又分为表示确定性逻辑的变迁、表示NG 型传播关系的变迁、 表示化型传播关系的变迁W及表示化型传播关系的变迁。六类托肯：I灾难级---红(RD); Π 严重级---澄(0G);虹轻度级---黄(YW) ;IV轻微级---蓝(BL);正常工作状态---绿(GR);正 常却不工作状态---白（WT)。
[0093] 在前四类托肯中，若每个LRU/子系统/系统同级别故障模式存在多个，按照严重程 度又可细分为畑.1、畑.2、畑.3等。
[0094] 两类有向流:L抓正常工作模式^延时变迁抓故障模式（内因故障）；LRU/子系 统/系统故障模式^瞬时变迁^LRU/子系统/系统故障模式(外因故障传播）。
[0095] 遍历捜索算法，通过构建用于可靠性分析的数据库结构，采用遍历捜索算法，将 "原始数据表"转化为"可靠性模型数据库"。可靠性数据库包含两个文件夹:Basic_Data_ Rel lability W及化ult_P;rop。运两个文件夹作为用于可靠性分析的动态随机有色化化i网 模型数据。
[0096] 本发明的优点在于:本发明构建了动态有色随机化化i网的建模总体技术思路，提 出了动态随机有色库所的基本概念，并按一般工程元件的物理机制，赋予了动态随机有色 库所的完整定义，运包括功能故障的分类与着色、基准托肯与非基准托肯、延迟型动态随机 变迁W及瞬时型逻辑变迁。定义了动态随机有色库所的符号及图形形式，建立了变迁关联 与约束机制的描述，为复杂工程物理系统"四性"特性分析及技术指标计算提供了手段。
[0097] 下面再W飞机交流电源系统为例进行简要说明。
[009引机交流电源系统共采用六个主电路接触器:左、右发电机接触器(LGR、RGR)，左、右 交流连接接触器(LACTR、RACTR)，APU发电机接触器(AGR)和外电源接触器化PR)。主电路接 触器由发电机控制器(GCU)进行协调控制，对接触器L ACTR和R ACTR的控制可分为一次控 制和二次控制。交流应急转换接触器(ACETR)和交流单相应急接触器(AC1ER)通过飞机线路 由继电器逻辑电路进行控制。其中，左侧交流电源系统的功能原理框图见图3。该图包括18 个LRU，各LRU的故障模式及其基本信息见表2。
[0099] 表2、左侧交流电源原始数据信息
[0100]
[0101] 针对该左侧交流电源系统，建立用于可靠性分析的动态随机有色化tri网，见图4。 从图4中可读出系统所有的故障传播路径W及每个瞬时变迁的发生概率。其中，存在非确定 性逻辑关系，该逻辑关系的瞬时变迁不仅仅对应一个概率值，而是对应一组概率值。传播路 径的过多使得图4过于繁杂，故进行简化，简化后的有向线段不再是由托肯指向托肯，而是 由库所指向库所，从而使得LRU之间的传播关系更清晰、简洁。
[0102] 需要说明的是，图4中表含有Ξ色托肯的圆中，空屯、圆为白色，表示特定级，即正常 但不工作状态，其与的两个颜色为红色-重型故障和黄色-轻型故障，其中，左侧、上侧为红 色，右侧、下侧为黄色;仅有一个颜色(小圆）托肯的圆中，该托肯为绿色，即部件正常工作， 实际操作过程中，是W颜色对托肯进行标注的。
[0103] W上为可靠性分析，而在测试性分析中，是在故障传播路径信息的基础上添加检 测点W及检测项信息，测试性分析是在故障空间建模的，不设及节点的正常模式，将所有表 示正常节点的库所和变迁剔除掉，然后再此基础上添加表示测试信息的库所、变迁和托肯， 建立测试性分析的动态随机有色化化i网，之后，对上述有色化化i网中的L抓元件故障模式 进行可达性分析后，得到相关矩阵，所述矩阵的横列表示部件正常工作状态的模式，竖列为 18个LRU部件及L抓的Ξ个其它模式，该其它模式为故障模式，根据相关矩阵即可得到不可 检测故障情况、故障检测率、冗余测试情况、模糊组情况等。
[0104] 最后需要指出的是：W上实施例仅用W说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽 管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然 可W对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替 换;而运些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精 神和范围。
【主权项】
1. 一种基于Petri网的部件故障属性表征方法，其特征在于，包括： 步骤一、对部件的故障模式进行分类； 步骤二、用Petri网的库所表示部件，用库所内的基准托肯表征所述部件的正常工作状 态，用库所内的多个非基准托肯表征所述部件的多个故障模式，其中，所述基准托肯及非基 准托肯为有色托肯，且所述基准托肯与所述多个非基准托肯的颜色互不相同，所述库所为 所述基准托肯与所述非基准托肯的集合； 步骤三、建立所述基准托肯向所述非基准托肯的延时变迀以及建立所述非基准托肯向 另一个非基准托肯的瞬时变迀； 步骤四、对所述延时变迀及所述瞬时变迀进行量化，同时建立所述延时变迀与所述瞬 时变迀的实施法则，结合绘制的基于Petri网的四性故障表征模型完成基于Petri网的部件 故障属性表征，所述实施法则是指发生所述延时变迀与所述瞬时变迀的触发策略。2. 如权利要求1所述的基于Petri网的部件故障属性表征方法，其特征在于:在所述步 骤一中，所述部件的故障模式包括由所述部件的物力损伤所致的多个不同等级的受损性态 以及一个由无驱动所致的无故障但不工作性态。3. 如权利要求1所述的基于Petri网的部件故障属性表征方法，其特征在于:在所述步 骤四中，所述延时变迀的触发条件为自发性功能故障的状态转移或传播，所述瞬时变迀的 触发条件为外部激励作用下所述部件的功能故障的状态转移或传播。4. 如权利要求1所述的基于Petri网的部件故障属性表征方法，其特征在于:在所述步 骤四中，所述四性是指可靠性、测试性、安全性以及维修性。5. 如权利要求1所述的基于Petri网的部件故障属性表征方法，其特征在于:所述步骤 四包括按照故障表征模型设计部件发生延时变迀及瞬时变迀的触发策略，并按故障模式的 动态特性确定延迟型随机变迀的概率分布参数，完成基于Petri网的部件故障属性表征。
【专利摘要】本发明公开了一种基于Petri网的部件故障属性表征方法，属于航空故障测试领域，涉及一种利用动态有色随机Petri网对飞机复杂系统故障属性进行表征的方法。所述的表达故障的动态有色随机Petri网主要参考工程预报学的危险性分类方法，对故障对应的托肯进行着色，构建产品故障信息与Petri网有色库所及托肯的映射，对库所内变迁定义、性质、关联约束等进行故障属性表征，建立了变迁关联与约束机制的描述，形成了工程实用意义上的完备动态随机有色库所；最后从工程化实用技术角度出发，提出了完整的动态有色随机Petri网建模技术框架，为复杂工程物理系统“四性”特性分析及技术指标计算提供了手段。
【IPC分类】G06K9/62
【公开号】CN105488537
【申请号】CN201510923733
【发明人】严拴航, 薛海红, 李雅琳, 郭鹏
【申请人】中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月11日
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