[發明專利]一種基于競爭失效的通信系統可靠性統計試驗方案的設計方法

有效

• 申請號: 201310143305.3
• 申請日: 2013-04-23
• 公開（公告）號: CN103218495A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 楊軍;秦晉;趙宇
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種基于競爭失效的通信系統可靠性統計試驗方案的設計方法，其特征在于：該方法具體步驟如下：

步驟一：首先根據通信系統硬件分系統試驗數據計算硬件分系統失效率的分布；如果硬件分系統試驗數據是完全數據，則采用下列式（13）、（14）計算

λh=β2Th,β~χ2n2---(13)]]>

R(t)=exp{-t2Thβ},β~χ2n2---(14)]]>

如果硬件分系統試驗數據是定總試驗時間試驗數據，則采用下式（15）計算

λh~χ2(2rh+2)2Th---(15)]]>

如果硬件分系統試驗數據是無失效數據，則采用下列式（16）、（17）、（18）計算

θ^L,h=Th-ln(1-γ)---(16)]]>

λU,h=-ln(1-γ)Th---(17)]]>

其中，在步驟一中所述的完全數據是指所有硬件分系統樣本失效時間均已知的試驗數據；式（13）、（14）中符號說明如下：λ_h為硬件分系統失效率，參數t為時間，R(t)為時間t時的系統可靠度，T_h為硬件分系統試驗的總試驗時間，β=2T_h/θ，參數θ表示系統平均壽命，β服從自由度為2n的卡方分布，表示為在步驟一中所述的定總試驗時間試驗數據是指已知一定試驗總時間的硬件分系統試驗數據；式（15）中符號說明如下：λ_h為硬件分系統失效率，T_h為硬件分系統試驗的總試驗時間，r_h為硬件分系統試驗的總失效次數；在步驟一中所述的無失效數據是指工作到規定時間硬件分系統樣本未發生失效的試驗數據；式（16）、（17）、（18）中符號說明如下：T_h為硬件分系統試驗時間，ln()指以e為底的自然對數，為硬件分系統平均壽命θ_h在置信度γ下的最優置信下限，λ_U,h為置信度γ下失效率的最優置信上限，為硬件分系統失效率λ_h的概率密度函數；

步驟二：計算在給定的置信度γ和任務時間t₀下，通信系統硬件可靠性置信下限R_L,H(t₀)由下式（19）計算

R_L,H(t₀)=exp(-λ_U,ht₀)??????（19）

其中，λ_U,h為置信度γ下通信系統硬件分系統的失效率置信上限，由下式（20）表示出

λU,h=χγ2(2rh+2)2Th---(20)]]>

其中，(2r_h+2)為自由度，為χ²分布置信度為γ的分位數；若R_L,H(t₀)≤R₀，判定該通信系統不能達到規定的系統可靠性要求，若R_L,H(t₀)＞R₀，轉到步驟三；在工程實際中置信度γ和任務時間t₀由用戶根據實際需求給定；

其中，在步驟二中所述的R₀為系統可靠性要求，由于通信系統由硬件分系統和軟件分系統組成，要使系統可靠度達到規定的系統可靠性要求，則要求硬件分系統和軟件分系統的可靠度置信下限均達到規定的系統可靠性要求，在此前提下才有可能使競爭性失效模型下計算得到的系統可靠度置信下限滿足系統可靠性要求；R_L,H(t₀)≤R₀表示任務時間t₀下硬件分系統可靠度置信下限未滿足系統可靠性要求，故該通信系統不能達到規定的系統可靠性要求；

步驟三：在置信度γ下，設置通信系統軟件可靠性置信下限R_0S（R_0S＞R₀），然后由下式(21)求得t₁時刻系統軟件可靠性置信下限R_L,S(t₁)為

R_L,S(t₁)=(1-γ)^1/n????????（21）

令R_L,S(t₁)=R_0S，得到該設定下備選的無故障統計試驗方案為([ln(1-γ)/lnR_0S]+1,0)；

其中，在步驟三中所述的R₀為系統可靠性要求，[ln(1-γ)/lnR_0S]+1表示試驗次數，[]表示下取整運算，ln()指以e為底的自然對數，0表示在試驗中未出現故障；

步驟四：假設單次軟件分系統試驗時間為t₁，則總的軟件分系統的無故障試驗時間為{[ln(1-γ)/lnR_0S]+1}×t₁；基于置信分布的系統可靠性評估方法，利用式(5)計算得到平均壽命在置信度γ下的最優置信下限，再利用式(6)和式(7)求出軟件分系統失效率λ_s的近似分布；

其中，在步驟四中所述的[ln(1-γ)/lnR_0S]+1表示試驗次數，[]表示下取整運算，式（5）、（6）、（7）中符號說明如下：T_s為軟件分系統試驗時間，ln()指以e為底的自然對數，為軟件分系統平均壽命θ_s在置信度γ下的最優置信下限，λ_U,s為置信度γ下軟件分系統失效率的最優置信上限，為軟件分系統失效率λ_s的概率密度函數；

步驟五：在得到硬件分系統失效率和軟件分系統失效率的分布之后，基于競爭性失效模型，分別從硬件分系統失效率和軟件分系統失效率的分布中，利用隨機數函數隨機生成一個硬件分系統失效率和軟件分系統失效率相加得到系統失效率的一個實現值λi=λhi+λsi;]]>

步驟六：利用蒙特卡洛方法重復步驟五中的過程B次，B是一個很大的數，通常B＞1000，如B=10000，得到系統失效率的B個實現值，表示為λ¹,…,λⁱ,…,λ^B；

步驟七：將系統失效率的B個實現值從小到大，重新排序并記為λ⁽¹⁾,…,λ⁽ⁱ⁾,…,λ^(B)，由此得到在置信度γ下，系統失效率的置信上限為λ_U=λ^[Bγ]，而對用戶給定的任務時間t₀，對應的系統可靠度置信下限為

其中，在步驟七中所述的λ^[Bγ]為排序后系統失效率的第[Bγ]個實現值，[]表示下取整運算，為任務時間t₀下求得的系統可靠度置信下限；

步驟八：將系統可靠度置信下限與初始給定的系統可靠性要求R₀比較，如果則該方案不是可選方案，令R_0S取一個更大的值，回到步驟三；如果則無故障統計試驗方案([ln(1-γ)/lnR_0S]+1,0)為可選方案，從經濟和其他實際條件出發，認為該方案可行，則選擇該方案為最終方案，否則，令R_0S取一個稍小的值，但要求R_0S大于R₀，回到步驟三；其中，在步驟八中所述的表示系統可靠度置信下限不能達到系統可靠度要求，因此，需要在硬件分系統可靠度置信下限滿足系統可靠度要求的條件下，逐漸增大軟件分系統的可靠性要求，直到求得的軟件無故障統計試驗方案能使系統可靠度置信下限滿足系統可靠性要求并在設備和經濟條件上允許。