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地铁综合监控系统可靠性分析方法研究

作　者: 于敏
导　师: 钱清泉；何正友
学　校: 西南交通大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 地铁综合监控系统可靠性分析层次SRN 混合法 Markov过程 Kronecker代数模糊可靠性
分类号: TP277
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

地铁综合监控系统负责整个地铁中所有设备的监视及控制,是整个地铁系统可靠安全运行的重要保障,其能否有效运行直接关系到地铁的安全稳定运营,从而决定了对地铁综合监控系统可靠性的高要求,系统的可靠性研究成了迫切需要解决的问题。然而,为了使地铁综合监控系统具有更高的性能,随之而来的是系统结构与功能的复杂化,结构的复杂化体现在系统的硬/软件结构、冗余结构的广泛应用及骨干网的复杂拓扑结构等方面,而功能的复杂化体现在系统可以具有多种功能,结构与功能的复杂化无疑使系统可靠性分析难度较大。因此,研究适合于地铁综合监控系统的可靠性评估方法并对系统进行可靠性分析具有重要的理论与应用价值,该研究工作将有助于指导地铁综合监控系统的设计、维护,并为系统的进一步完善奠定基础。论文在对地铁综合监控系统的整体结构、对接入子系统影响、硬/软件与冗余结构及系统存在的模糊性等几个方面进行分析的基础上,建立了相应的系统可靠性模型,通过对模型求解给出用于系统可靠性评估的平均值或稳态可靠性指标、瞬时可靠性指标与模糊可靠性指标。考虑地铁综合监控系统的资源子系统中的工作站、服务器与FEP(Front End Processor, FEP)设备的硬/软件组件的相互作用关系、子系统设备间的不同冗余方式及系统整体结构对地铁综合监控系统进行可靠性分析；同时,针对随机回报网(Stochastic Reward Net, SRN)用于复杂系统可靠性分析时的状态空间爆炸及模型的可读性问题,提出适用于地铁综合监控系统可靠性分析的层次SRN(Hierarchical SRN, HSRN)可靠性模型,并证明了层次化过程中的等效性,利用连续时间马尔可夫链(Continuous Time Markov Chain, CTMC)对模型进行分析计算,该模型可使模型组件之间的作用关系更清晰并能显著减少系统的状态空间。考虑到地铁综合监控系统的通信子系统中双冗余环网的特殊网络拓扑结构,同时,随着网络节点和链路数目的增加将使可靠性指标的计算量呈指数增长并引起计算的困难,若利用常规的解析法进行可靠性建模与分析超出了计算机的处理能力,基于此,提出了采用动态故障树(Dynamic Fault Tree, DFT)建立网络子系统的可靠性模型,并利用基于状态数组的Monte Carlo仿真对模型求解,避免了复杂模型求解的状态空间问题,为地铁综合监控系统骨干网的可靠性评估提供了一种有效的办法。研究地铁综合监控系统对其接入子系统可靠性的影响,并考虑当控制器失效时关于监控对象是否继续工作的不同假设对监控对象可靠性的影响,引入了状态相依与功能相依的概念,并给出基于Kronecker代数的考虑组件的状态相依与功能相依的系统可靠性建模过程及常用的可维修系统可靠性指标的计算方法。根据Kronecker积的可分解属性,可将组件的状态转移矩阵分为关于失效与关于维修的两个矩阵,其中,考虑状态相依的关于维修的状态转移矩阵可利用stress矩阵方法生成,考虑功能相依时系统的状态转移矩阵则需利用操作规则来构建；研究了基本结构时考虑状态相依的维修与考虑功能相依的失效对系统可靠性的影响,并建立了以接入子系统中的监控对象为研究对象的可靠性模型。该方法可根据组件的状态转移矩阵直接构建系统可靠性分析时的状态转移矩阵,避免了图形化建模过程,并易于计算机的编程实现。地铁综合监控系统相关的平均值或稳态可靠性指标可利用上述方法得到,但对于获取与时间相关的可靠性度量则存在局限,故可利用Markov过程建立系统可靠性模型并通过分析得到系统的瞬时可靠性指标。论文建立了地铁综合监控系统中常见的双机热备系统与硬/软件综合系统可靠性分析模型,其中,双机热备系统可靠性模型考虑故障检测以及共因失效对系统的影响,研究失效率、维修率、故障检测率与共因失效因子与系统状态概率及系统达到稳态所需时间的关系。硬/软件综合系统可靠性模型则综合考虑硬件、软件特点以及两者之间的相互作用关系,模型将系统失效分为硬件失效、软件失效与硬/软件结合失效；实际应用中,由于系统的状态数较大,提出利用循环网络方法对Markov状态转移方程进行求解,从而方便地得到系统处于各状态的瞬时概率与稳态概率。在地铁综合监控系统模糊可靠性方面,考虑地铁综合监控系统是实现复杂功能的系统,不能仅用完全故障或完全正常来评价系统的可靠性,为合理定义系统状态,应考虑在系统完全故障与完全正常之间的状态取值是多状态的,从而定义了关于地铁综合监控系统的模糊成功状态与模糊故障状态；并利用基于模糊状态的可靠性理论对地铁综合监控系统资源子系统进行模糊可靠性分析,比较其结果与传统可靠性理论的不同之处,可以看出模糊可靠度可反映故障程度对系统可靠性影响的程度。同时,考虑系统可靠性分析时关于可靠性参数的不确定性,提出了基于仿射算法与模糊Markov过程的模糊可靠性模型,并利用循环网络方法对模型求解,为可修系统的模糊可靠性计算提供了一种实用的算法。总的说来,本论文最终构筑了一个获取地铁综合监控系统从平均值或稳态可靠性指标到瞬时可靠性指标再到模糊可靠性指标的可靠性分析框架。本论文是国家自然科学基金项目《轨道交通综合监控系统可靠性与安全性评估理论及算法研究》(No.50878188,2009-2011)成果的组成部分。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第1章绪论  14-27
  1.1 课题的提出  14-15
  1.2 地铁综合监控系统概述  15-17
    1.2.1 集成方式  15
    1.2.2 系统构成  15-16
    1.2.3 系统功能  16-17
  1.3 地铁综合监控系统可靠性分析面临的问题  17-19
  1.4 国内外研究现状  19-24
    1.4.1 地铁综合监控系统可靠性问题的研究现状  19-21
    1.4.2 可靠性分析方法的研究现状  21-24
  1.5 研究目标和研究内容  24-27
    1.5.1 研究目标与对象  24-25
    1.5.2 主要研究工作  25-26
    1.5.3 章节安排  26-27
第2章基于HSRN的地铁综合监控系统可靠性分析研究  27-43
  2.1 引言  27-31
    2.1.1 SRN的定义  27-28
    2.1.2 SRN的层次化  28
    2.1.3 HSRN的度量  28-29
    2.1.4 HSRN的等效变换  29-31
    2.1.5 HSRN模型求解  31
  2.2 地铁综合监控系统构成  31-32
    2.2.1 硬件构成  31-32
    2.2.2 软件构成  32
  2.3 地铁综合监控系统可靠性模型  32-38
    2.3.1 子系统可靠性模型  32-37
    2.3.2 系统可靠性模型  37-38
  2.4 实例分析  38-42
    2.4.1 参数设定  38-40
    2.4.2 可靠性分析  40-42
  2.5 小结  42-43
第3章基于混合法的地铁综合监控系统骨干网可靠性分析研究  43-57
  3.1 引言  43
  3.2 混合法用于系统可靠性分析  43-44
  3.3 DFT基本理论  44
  3.4 基于Monte Carlo模拟的DFT仿真  44-51
    3.4.1 仿真过程描述  44-45
    3.4.2 底事件的状态数组  45-46
    3.4.3 逻辑门的Monte Carlo模拟  46-48
    3.4.4 可靠性指标计算  48-49
    3.4.5 验证方法可行性  49-51
  3.5 地铁综合监控系统骨干网可靠性分析  51-56
    3.5.1 系统分析  51-53
    3.5.2 可靠性分析  53-56
  3.6 小结  56-57
第4章基于Kronecker代数的地铁综合监控系统接入子系统可靠性分析研究  57-75
  4.1 引言  57
  4.2 基于Kronecker代数的系统可靠性模型  57-61
    4.2.1 独立组件可靠性模型  58
    4.2.2 考虑状态相依的可靠性建模  58-59
    4.2.3 考虑功能相依的可靠性建模  59-60
    4.2.4 模型求解  60-61
  4.3 基本系统可靠性研究  61-68
    4.3.1 组件1状态相依于组件2时的可靠性分析  61-63
    4.3.2 兩组件串联系统可靠性分析  63-66
    4.3.3 两组件并联系统可靠性分析  66-68
  4.4 地铁综合监控系统接入子系统可靠性研究  68-74
    4.4.1 系统描述  68-69
    4.4.2 地铁综合监控系统接入子系统可靠性模型  69-71
    4.4.3 地铁综合监控系统接入子系统可靠性分析  71-74
  4.5 小结  74-75
第5章基于Markov过程的系统可靠性分析研究  75-92
  5.1 引言  75
  5.2 基于Markov过程的可靠性分析  75
  5.3 双机热备系统可靠性研究  75-80
    5.3.1 双机热备系统分析  75-76
    5.3.2 机热备系统可靠性模型  76-77
    5.3.3 双机热备系统可靠性分析  77-80
  5.4 硬/软件综合系统可靠性研究  80-90
    5.4.1 硬/软件综合系统失效模式  80-82
    5.4.2 硬/软件综合系统可靠性模型  82-84
    5.4.3 硬/软件综合系统可靠性求解  84-86
    5.4.4 硬/软件综合系统可靠性分析  86-90
  5.5 小结  90-92
第6章地铁综合监控系统模糊可靠性研究  92-104
  6.1 引言  92
  6.2 基于模糊状态的系统模糊可靠性研究  92-96
    6.2.1 基于模糊状态的模糊可靠性模型  92-93
    6.2.2 地铁综合监控系统资源子系统模糊可靠性分析  93-96
  6.3 基于仿射算法的系统模糊可靠性研究  96-103
    6.3.1 区间算法用于模糊可靠性分析存在的问题  97-98
    6.3.2 仿射算法数学基础  98-100
    6.3.3 基于仿射算法的模糊可靠性分析  100-101
    6.3.4 作站模糊可靠性分析  101-103
  6.4 小结  103-104
结论  104-106
致谢  106-107
参考文献  107-117
攻读博士学位期间发表的学术论文及科研成果  117-118

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