[發明專利]一種考慮軟件運行的軟－硬件退化系統剩余壽命估計的方法

在審

• 申請號: 201810815534.8
• 申請日: 2018-07-20
• 公開（公告）號: CN110750848A
• 公開（公告）日: 2020-02-04
• 發明（設計）人: 張德平;韓佳佳
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06K9/62
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種考慮軟件運行的軟?硬件退化系統剩余壽命估計方法，包括：軟?硬件系統性能退化指標的構建與篩選；系統退化模型的構建；剩余壽命估計算法的提出；基于隱Markov模型的性能退化模型分析；通過調整軟件狀態轉移參數，使系統分段退化模型達到最優，進而由性能指標分別構建系統退化模型，根據系統的體系結構，外推整個軟?硬件系統的剩余壽命估計。本發明的優點是：針對傳統單獨考慮軟件可靠性或硬件可靠性的軟硬件系統剩余壽命估計難題，采用離散隱Markov過程來描述軟件模塊之間的轉移，建立隱藏狀態與實際退化之間的關系，根據在不同軟件運行條件下系統性能退化指標樣本中的拐點個數，構建不同的退化模型，根據體系結構估計剩余壽命，發明了一種提高剩余壽命估計精度的方法。

技術領域

本發明涉及一種高效估計系統級剩余壽命的分析方法，特別針對大型軟硬件一體復雜系統仿真實驗過程繁雜、人力物力消耗巨大的問題，提出簡單易用的數學解析法，結合隱Markov模型進行退化指標的分段建模，高效的提高剩余壽命估計的準確度，屬于系統工程與信息科學的交叉領域。

背景技術

隨著信息化水平的不斷提升，各類控制系統的功能逐漸由軟件實現，并且呈現軟件高度密集、復雜度不斷提高的特點。軟硬件一體已經成為各類大型系統的固有形式。其系統可靠性既分別依賴于軟件和硬件，更依賴于軟硬件結合過程中的相互影響。因此，對軟硬件系統進行軟硬件交互的可靠性分析越來越受到廣泛的重視。傳統的剩余壽命估計理論需要大量的壽命數據，隨著技術的進步，現代大型系統的壽命越來越長，以致于在有限的開發周期內極少發生失效，難以得到足夠的壽命數據，使得現有的可靠性評估難于實施。實際上，失效機理分析是可靠性評估和壽命預測的基礎。對大多數系統而言，失效機理都與性能退化過程相關，因此性能退化過程包含了大量的可靠性信息。傳統可靠性理論只關注失效時刻的壽命數據和失效次數等信息，忽略了系統失效與性能退化過程之間的聯系，在高可靠長壽命系統的可靠性和剩余壽命評估時存在上述不足。實際上，無論系統失效與否，都可以測量其隨時間變化的一簇性能退化數據，性能退化數據為產品壽命預測和可靠性評估提供了豐富而關鍵的信息源，并可由此外推系統的壽命特征與可靠性，從而為可靠性評估提供了新的可行途徑。

現代軍工業的需求和科學技術的發展決定了機械系統不斷向高速、高精度、高可靠性的方向發展；另一方面，許多軍用系統設備結構龐大，功能復雜。即使設備再優良，其性能和狀態都會隨著持續運行而逐漸退化并導致故障的產生。系統的失效不但會降低生產效率和系統的可靠性，而且還可能會引起嚴重的安全問題，甚至導致人員的傷亡。如果能準確地預測系統運行過程中出現的故障并制定相應的維護策略，對于提高系統性能，避免重大事故和人員傷亡的發生是非常有意義的。此外，隨著市場競爭的加劇，系統的設計和制造技術不斷提升，硬件材料性能不斷提高，系統的可靠性也越來越高，壽命越來越長。為了保證系統功能的可用性，需要確定、預測和評價系統的可靠性指標，否則功能設計就失去了意義。因此，如何在有限的研發周期和試驗經費內，快速、準確的估計高可靠長壽命系統的可靠性，是當前可靠性工程領域亟待解決的問題。而現有的軟硬件混合系統可靠性綜合試驗方法只是簡單回避了軟硬件失效機理的不同，并未解決軟硬件失效機理不同產生的影響。

對退化系統的性能指標進行建模的可靠性評估更具有優勢，許多學者對這種方法進行了廣泛研究。退化量建模法一般選用隨機過程法，即選用一定的隨機過程函數描述退化過程，然后根據退化數據求解決定隨機過程特征的相關參數。通過分布擬合檢驗，若退化量分布規律不明顯，退化數據的相對增量滿足一定分布規律，或性能指標存在隨機的累積變化規律時，則使用具有獨立增量特征的隨機過程，但是對退化數據進行建模是更合適的選擇。

然而與大型系統評估相關的問題仍然存在，特別是運行過程隨時間變化的動態性建模及其復雜性。基于此，本發明從建模對象上提出新的觀點，考慮受軟件模塊運行影響的軟-硬件系統剩余壽命估計的問題，將軟件運行考慮為硬件性能退化的一種沖擊或影響，對不同的軟件模塊之間的轉移采用離散隱Markov過程來描述，構建實際退化與隱藏狀態之間的關系，在此基礎上分析硬件性能的退化過程。

發明內容