[發明專利]一種對冗余系統進行可靠性分析的方法

在審

• 申請號: 201510947474.1
• 申請日: 2015-12-16
• 公開（公告）號: CN105607616A
• 公開（公告）日: 2016-05-25
• 發明（設計）人: 吳勝昔;房巍巍;李雪巖;虞奕帆;司有為;陳誠;顧幸生
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于信息處理領域，涉及一種可編程自動化控制器 (ProgrammableAutomationController，PAC)中的容錯機制技術， 尤其涉及利用馬爾科夫狀態轉移圖對冗余系統進行可靠性分析的 方法。

背景技術

當今的自動化技術發展迅速，正處于一個快速變革的時代。 從半導體到消費類電子產品再到汽車和航空制造業、輕工業以及 大型流程工業等多種不同的工業領域，都面臨著日益激烈的全球 競爭壓力，需要進一步降低成本、縮短產品生命周期，并能夠迅 速完成產品的更新換代。采用最新的自動化技術正是解決這一系 列問題的有效手段，而高端可編程自動化系統隨之而生。

在現有技術中，高端的自動化控制系統主要包括可編程邏輯 控制器(ProgrammableLogicalController，PLC)、PC-BASE控制、 可編程自動化控制器(ProgrammableAutomationController，PAC) 等。以PAC為例，其是一種基于開放的工業標準、具有多領域功 能和通用開放平臺、高性能的控制器，它集合了可編程邏輯控制 器和PC控制的優點。具體而言，PAC作為一種多功能的控制平臺， 用戶可以根據系統的需要，組合和搭配相關的技術和產品以實現 功能的側重。由于PAC系統是基于同一發展平臺進行開發，所以 它保證了控制系統的各功能模塊具有統一性。

另一方面，PAC系統涉及的關鍵技術大致包括：控制引擎、 標準通用開放的實時操作系統、嵌入式系統設計、容錯機制及故 障診斷算法等。其中，容錯控制(Fault-tolerantControl)是實現 PAC容錯機制的關鍵技術之一，其主要思想是利用系統的冗余資 源來實現故障容錯。在此，故障容錯是指，如果一個系統在出現 一定的運行性故障時，能夠依靠系統內部的能力仍保持系統連續 正確地執行其程序和輸入輸出功能。

此外，系統的可靠性是分析故障容錯機制非常重要的性能指 標。為了保證大型生產設備的可靠運行、減小重大惡性事故的發 生，提高系統的可靠性是極其重要的。而冗余技術是系統可靠性 和安全性設計中一種常用的技術，它是提高系統可靠性和安全性 最為有效的方法之一。這里，冗余技術是指利用多余的資源，當 系統的某一部分出現故障時，可以由冗余部分的資源替代故障部 分來工作，以保證系統在規定的時間內正常完成規定的功能。容 錯技術是建立在資源冗余的基礎上的，可以說冗余技術是容錯技 術的核心。冗余設計是可靠性設計技術之中最重要的方法之一。 在計算機系統中可供利用的冗余資源有硬件冗余和軟件冗余。其 中，硬件冗余是用增加硬件設備的方法掩蓋故障造成的影響，即 當計算機系統在發生局部故障時，替換備份硬件參與運行，從而 使系統在不中斷當前任務的前提下仍能保持正常工作。例如，硬 件冗余可以采用雙重或多重備份的方法來實現，同時需要建立起 冗余的信號通道，它允許設備的一個或幾個關鍵部件失效，并對 故障具有識別和切換功能。相比之下，軟件冗余是利用其冗余經 驗來解決軟件容錯問題。軟件冗余采用故障檢測與屏蔽、控制器 重構、N個程序算法等方法，使其對故障具有自動處理的能力，并 利用系統中不同部件在功能上的冗余性來實現故障容錯。

發明內容

本發明的目的之一是在于，提供一種利用馬爾科夫狀態轉移 圖對冗余系統進行可靠性分析的方法，當采用多模冗余結構進行 容錯系統設計時，對PAC系統中的各種常用冗余結構進行了可靠 性分析，運用馬爾科夫狀態轉移法對不同結構的馬爾科夫狀態予 以總結并計算其可靠性。最后根據仿真結果來確定每個冗余結構 的特點，為系統的可靠性設計提供了重要的參考依據。

依據本發明的一個方面，提供了一種利用馬爾科夫狀態轉移 圖對冗余系統進行可靠性分析的方法，包括以下步驟：

預先設定對所述冗余系統進行可靠性分析的條件；

根據所述冗余系統的結構，對所述冗余系統進行馬爾科夫狀 態分析；

計算所述冗余系統中的所有狀態的每個狀態間的馬爾科夫狀 態轉移概率，繪制對應的馬爾科夫狀態轉移圖；

根據所述馬爾科夫狀態轉移圖以及每個狀態間的馬爾科夫狀 態轉移概率，獲取每個狀態的工作概率計算公式；以及

對所述工作概率計算公式進行拉普拉斯變換，計算并分析所 述冗余系統的可靠性。