制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性評價方法的研究

1、制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性評價方法的研究李嬌嬌化工機械2011200722摘要：本文針對制造網(wǎng)絡(luò)進行系統(tǒng)可靠性分析，探討制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性評價指標(biāo)的確定。并在分析制造網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確定其可靠性框圖，定義其可靠性評價模型，為有效地實施管理提供理論指導(dǎo)。時間間隔t內(nèi)被修復(fù)的概率，記為M(t):1系統(tǒng)可靠性理論1.1系統(tǒng)可靠性定義關(guān)鍵詞：制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；可靠性評價M(t)=PX<t系統(tǒng)可靠性是指在規(guī)定的條件下，系統(tǒng)在規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。其中，規(guī)定條件”是指系統(tǒng)的環(huán)境條件、使用條件、維修條件和工作方式等。規(guī)定的時間”是該定義的核心，將可靠性用時間直接或間接地描述出來。規(guī)定的功能”是

2、指系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)和技術(shù)要求。系統(tǒng)可靠性理論體系包括可靠性預(yù)測、可靠性分配、可靠性優(yōu)化和可靠性實驗。可靠性預(yù)測即在設(shè)計系統(tǒng)階段，按元件-子系統(tǒng)-系統(tǒng)，逐一估算可靠性指標(biāo)，找出其薄弱環(huán)節(jié)，以使系統(tǒng)達到最大可靠性；可靠性分配即根據(jù)系統(tǒng)與元件之間的可靠性功能關(guān)系將系統(tǒng)可靠性指標(biāo)在元件之間進行合理分配，也就是按系統(tǒng)-子系統(tǒng)-元件，逐一地落實可靠性指標(biāo)；可靠性優(yōu)化即運用最佳備用設(shè)計、故障診斷技術(shù)和最佳預(yù)防措施來解決系統(tǒng)設(shè)計、制造和運行中的優(yōu)化問題，使之在滿足一定可靠性前提下，使系統(tǒng)各方面性能達到綜合的最佳組合；可靠性實驗即貫穿在系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、制造和運行的全過程，包括評價實驗、證實試驗、生產(chǎn)試驗和壽

3、命試驗。1.2常用系統(tǒng)可靠性度量指標(biāo)系統(tǒng)可靠性的參數(shù)，主要有：可靠度(Reliability)、可維度(Maintainability)、可用度(AVailabjlity)和保能度(Peformability)等。1.2.1 可靠度(Reliability)可靠度參數(shù)R(t)從一個系統(tǒng)能夠正常工作的時間長短來描述系統(tǒng)的可靠性。它定義為系統(tǒng)在在時刻正常工作的條件下，在*0,打時間區(qū)間內(nèi)正常工作的概率，表示為R(t)=PXt不可靠度F為：F=1-R1.2.2 可維度(Maintainability)維修性是衡量系統(tǒng)發(fā)生故障時維修難易程度的一種指標(biāo)，其定量測度稱為可維度，即系統(tǒng)失效后在1.2.3 可

4、用度(Availability)系統(tǒng)的可用性是指在任意時刻系統(tǒng)正常工作的概率，是反映系統(tǒng)有效性的參數(shù)。用穩(wěn)態(tài)可用度作為系統(tǒng)連續(xù)工作的令人滿意的度量；平均可用度A(t1t2)作為系統(tǒng)在一定周期內(nèi)的度量，而在任意時刻的瞬問可用性A(t)是系統(tǒng)的最好度量。表示如下：1tA&tz)t2A(t)dtt2-t1t1As=limA(t)t對于不可維彳系統(tǒng)有A(t)=R(t)。1.2.4 保能度(Performability)保能度HL/)的定義是：系統(tǒng)在時刻t其性能保持在三級或三級以上水平的概率。它是把性能與可靠性結(jié)舍起來的一項指標(biāo)，其中引入了一個部分失效的概念。系統(tǒng)發(fā)生一定的故障，但并不影響系統(tǒng)的

5、運行，只不過系統(tǒng)性能降了一定的等級。保能度和可靠度的一個重要區(qū)別是：可靠度是衡量系統(tǒng)能夠正確執(zhí)行全部功能的可能性的一種指標(biāo)，而保能度則是衡量系統(tǒng)能正確執(zhí)行最低限度部分功能的可能性的一種指標(biāo)。1.2.5 MTTF,MTTR和MTBFMTTF(MeanTimeToFailure)即平均故障前時間，MTTR(MeanTimeToRepair)即平均維修時間，MTBF(MeanTimeBetweenFailure)即平均故障間隔時間，它們?nèi)叩年P(guān)系為：MTBF=MTTF+MTTR2制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)2.1 制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性定義系統(tǒng)可靠性應(yīng)包括一下三方面的內(nèi)容：系統(tǒng)工作可靠性Ro,是系統(tǒng)在運行時的

6、可靠性，是一種綜合性的可靠性指標(biāo)。系統(tǒng)固有可靠性RI,是系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中就已確立了的一種可靠性，它和系統(tǒng)所選用的材料、零部件、設(shè)計方案、軟件結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)、制造工藝、裝配工藝有密切關(guān)系，是系統(tǒng)的內(nèi)在可靠性。系統(tǒng)使用可靠性Ru,與系統(tǒng)在由制造廠轉(zhuǎn)給用戶過程中的包裝、運輸、保管以及在實際使用過程中的環(huán)境、操作水平、維護技術(shù)等因素有關(guān)。三種可靠性不是互不相關(guān)的，它們之間存在有一定的關(guān)系，這種關(guān)系可以用數(shù)學(xué)公式表述如下：RO&RU*RIo對于制造網(wǎng)格系統(tǒng)，關(guān)心的是它工作時的狀態(tài)，即系統(tǒng)工作可靠性。對于由多個組件組成的一般系統(tǒng)，可靠性定義為在時間段0,t內(nèi)系統(tǒng)無故障運轉(zhuǎn)的概率。可用性定義為在時刻

7、t系統(tǒng)可用的概率。本文將制造網(wǎng)格系統(tǒng)可靠性定義為：在其整個運行的過程中，在各種制約性因素的影響下，能夠持續(xù)完成規(guī)定功能的能力，即用來衡量制造網(wǎng)格系統(tǒng)在完全提供其功能時的成功程度。2.2 制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)層次全面評價系統(tǒng)的優(yōu)劣必須有性能指標(biāo)反映系統(tǒng)的技術(shù)水平，還要有可靠性指標(biāo)反映系統(tǒng)性能的維持能力，所以系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)不僅是衡量系統(tǒng)可靠性的定量尺度，而且也是描繪系統(tǒng)可靠性特性的參數(shù)。要表達一個復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性并非某一單項指標(biāo)就能完整全面描述的，而需要建立系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)體系。系統(tǒng)可靠性指標(biāo)體系研究應(yīng)解決：確定可靠性指標(biāo)體系，確定體系中包含哪些可靠性指標(biāo)以及它們的定義。建立對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

8、體系的清晰認(rèn)識是開展系統(tǒng)可靠性分析工作的前提。通常的情況下都假設(shè)系統(tǒng)及其單元有兩種狀態(tài)：正常狀態(tài)和故障狀態(tài)，與此假設(shè)相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)稱為二態(tài)系統(tǒng)。制造網(wǎng)格(MG)系統(tǒng)是可降級的多態(tài)系統(tǒng)，具有多種失效狀態(tài)，將其離散化，定義四個等級，其狀態(tài)空間為：VS=0，123上其中“0表示系統(tǒng)不可用，“1表示系統(tǒng)可用，“2表示系統(tǒng)運轉(zhuǎn)可靠，“3”表示系統(tǒng)能夠高性能運轉(zhuǎn)。具體含義如下：可用狀態(tài)，MG系統(tǒng)在時刻能否運轉(zhuǎn)；可靠狀態(tài)，MG系統(tǒng)在時刻正常運轉(zhuǎn)的情況下，能否在時間區(qū)間(t0,t)內(nèi)正常運轉(zhuǎn)；高性能狀態(tài)，MG系統(tǒng)在時間區(qū)間(t0，t)內(nèi)其性能保持在L級或L級以上的水平。相應(yīng)的，對于運行期間的制造網(wǎng)格系統(tǒng)主要從三

9、個層次對系統(tǒng)的可靠性進行監(jiān)控和管理：應(yīng)用可用度，MG系統(tǒng)在時刻能否運轉(zhuǎn)的概率；應(yīng)用可靠度MG系統(tǒng)在時刻正常運轉(zhuǎn)的情況下，能否在時間區(qū)間(t0，t)內(nèi)正常運轉(zhuǎn)的概率；應(yīng)用保能度，MG系統(tǒng)在時間區(qū)間(t0，t)內(nèi)其性能保持在L級或L級以上的水平的概率。應(yīng)用可用度是用來衡量MG系統(tǒng)在某一時間點能否提供服務(wù)；應(yīng)用可靠度則關(guān)注MG系統(tǒng)在某一時間段內(nèi)的性能狀態(tài)；應(yīng)用保能度考察系統(tǒng)在某一時間段內(nèi)的運行效率。MG系統(tǒng)是可降級系統(tǒng)，系統(tǒng)中的失效僅僅引起性能的下降，系統(tǒng)仍處于工作狀態(tài)，我們認(rèn)為系統(tǒng)在如此低性能狀態(tài)下的工作是不可靠的。應(yīng)用保能度就是衡量這種隨著失效的增多系統(tǒng)性能下降的可降級系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，是把性能

10、與可靠性結(jié)合起來的一項指標(biāo)。2.3 相關(guān)量化可靠性指標(biāo)評價系統(tǒng)可靠性的單項指標(biāo)很多，如可靠度、失效率、平均壽命等，這些都是從設(shè)計的角度出發(fā)評價系統(tǒng)的可靠性。對MG系統(tǒng)的可靠性評價，應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)運行過程中的狀態(tài)來評價。為此，針對MG系統(tǒng)的具體情況，引入如下相關(guān)的可靠性指標(biāo)。2.3.1 系統(tǒng)可靠度系統(tǒng)可靠度是指MG系統(tǒng)時刻t處于狀態(tài)i或i以上的概率，表示為：mR(t,i)=Py(t).i,t0,二=、p(t,j)jd其中，狀態(tài)序號iCVS,系統(tǒng)狀態(tài)變量y(t)CVS,p(t,i)是制造網(wǎng)格系統(tǒng)在時刻t處于狀態(tài)i的概率，且R(t,m)&R(t,1)<R(t,0)=1。2.3.2 可靠性水

11、平系統(tǒng)可靠性水平指系統(tǒng)處于狀態(tài)i的平均逗留時Ms(i)=；p(t,i)dtI日，表本為：0其中，p(t,i)是MG系統(tǒng)在時刻t處于狀態(tài)i的概率。2.3.3 平均壽命系統(tǒng)平均壽命指系統(tǒng)處于狀態(tài)i或i以上的平均逗留時間，表示為：二二 mMs(i)=R(t,i)dt=p(t,j)dt=Ms(t,j)0j王其中，狀態(tài)序號iCVS,p(t,j)是MG系統(tǒng)在時刻t處于狀態(tài)j的概率。2.3.4 失效概率在組件的生命周期內(nèi)，不能準(zhǔn)確預(yù)測它的失效時間，因為它是一個以潛在的失效時間整體的隨機屬性為特征的隨機變量。由于組件的失效是一個隨機過程，在特定時問，之前的失效概率定義為：t之前MG中間件假設(shè)MG服務(wù))圖1制造

12、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行模式%F(t)=f(t)dt0,其中f(t)是組件的失效概率密度函數(shù)。F是失效密度函數(shù)的積分，當(dāng)f趨近無窮大的時候，它趨近于1。這表示沒有項目能夠永遠(yuǎn)不失效。由R(t)表示的可靠性函數(shù)表示組件至少在時刻有效，定義為：00R(t)=.f(t)dtt2.3.5 瞬問失效或故障率故障率是表示在某一時刻組件失效的概率，他們在那一刻之前都是可用的。故障率由下式求出:f(t)f(t)h(t)=二1-FR(t)。組件的失效分布一般通過對失效時間觀測的有效歷史記錄進行曲線擬和、統(tǒng)計分析和其它數(shù)值處理得到的?？煽啃苑治鲅芯康闹饕康氖菫闆Q策提供信息基礎(chǔ)。3制造網(wǎng)格系統(tǒng)可靠性評價模型3.1 制造網(wǎng)絡(luò)系

13、統(tǒng)可靠性框圖制造網(wǎng)絡(luò)是基于網(wǎng)格平臺Globus構(gòu)建的，其運行模式如圖1所示：可靠 性框圖分析 法(ReliabilityBlock DiagramAnalysis)是從可靠性的角度出發(fā)來研究系統(tǒng)與部件之間的邏輯關(guān)系的一種分析方法。制造網(wǎng)格系統(tǒng)可靠性框圖是考慮各組成部分的故障或失效對系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響。從MG系統(tǒng)的運行模式可知，MG門戶是用戶訪問MG系統(tǒng)的入口，也是系統(tǒng)的瓶頸，必須保證它持續(xù)、穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)。因此，在進行監(jiān)控和管理的同時，采用硬件冗余的方式提高其可靠性，從可靠性方面來講，這兩個門戶服務(wù)器是并聯(lián)關(guān)系。系統(tǒng)中的各種應(yīng)用服相互獨立，因此其可靠性是并聯(lián)關(guān)系。由此，可得制造網(wǎng)格系統(tǒng)可靠性框圖，如

14、圖2所示：務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)保障，其中一個失效，將導(dǎo)致系統(tǒng)的失效，因此在可靠性框圖中是串聯(lián)關(guān)系。MG中的服務(wù)節(jié)點分散在Intemet上,圖2制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性框圖由此，我們可以用下式表示制造網(wǎng)格系統(tǒng)的可靠性:其中RSYS表示系統(tǒng)資源的可靠性，而RSys指除Portal以外的系統(tǒng)資源的可靠性。系統(tǒng)的可靠性框圖只能表示定性的功能關(guān)系，而不能精確地表示定量關(guān)系。若進行定量分析和定量計算只能用可靠性數(shù)學(xué)模型來進行。3.2 制造網(wǎng)格系統(tǒng)可靠性層次評價模型進行系統(tǒng)可靠性分析的關(guān)鍵在于建立正確的系統(tǒng)可靠性評價模型。制造網(wǎng)格系統(tǒng)是個復(fù)雜的系統(tǒng)，在其可靠性評價中將整個系統(tǒng)分成了四個層次：系

15、統(tǒng)層、分系統(tǒng)層、子系統(tǒng)層及組件層，如圖3所示：RMG一RSYSRService=(RPotalRSys)RService組成MG系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)具有一定的獨立性又相互聯(lián)接成有機整體。對MG系統(tǒng)的可靠性評價，首先要考察各個子系統(tǒng)的可靠性。對單一功能子系統(tǒng)，其可靠性評價模型(REM)可表示為：REM=(V,VST)其中V=(%*,，vn)是表征具體監(jiān)控對象運行狀態(tài)的一組變量，VS=0.123是變量狀態(tài)空間；而則是由V向VS的映射關(guān)系，它可以是閾值判定，也可以是模糊識別判定。整個MG系統(tǒng)的可靠性是建立在子系統(tǒng)的可靠性基礎(chǔ)之上的，其可靠性評價模型(MGREM)可以形式化地表不為:MGREM=f(rem

16、1,rem2，remn)其中remi表示第i個子系統(tǒng)的可靠性。不同的子系統(tǒng)可靠性對整個系統(tǒng)可靠性的影響不盡相同，因此應(yīng)確定各予系統(tǒng)影響程度的權(quán)重系數(shù)(i=1,2，,n),n'、=1/、且也，則九一(兀,，m)為可靠性評價權(quán)重系數(shù)集。于是采用加權(quán)平均法可得制造網(wǎng)格系統(tǒng)可靠性評價模型：MGREM=f(rem,rem2,rem,)=Z兒rem/ni1在單個組件的可靠性評價中，牽涉三種參數(shù)，其關(guān)系如圖4所示。其中，狀態(tài)參數(shù)是實時地從運行中的組件中取出的參數(shù)，是實際存在的參數(shù)；性能參數(shù)能夠反映組件的運行狀態(tài)，在性能參數(shù)與狀態(tài)參數(shù)之間有個待定的參數(shù)映射關(guān)系，對于每一個不同的組件，其狀態(tài)參數(shù)、性能參

17、數(shù)都不盡相同，有其自身的特殊性；性能參數(shù)經(jīng)過可靠性評價模型的評價，就得到我們需要的可靠性參數(shù)用于評價其上層的子系統(tǒng)的可靠性。狀態(tài)參數(shù)1性能參數(shù)1可靠性參數(shù)1狀態(tài)參數(shù)2參數(shù)映射模型性能參數(shù)2可靠性評價模型可靠性參數(shù)1可靠性參數(shù)1圖4可靠性評價相關(guān)參數(shù)下面以平均可靠性水平和平均壽命為例說明MG系統(tǒng)可靠性評價模型。設(shè)k為單元序號(k=1,2，n)；-VS為系統(tǒng)中的狀態(tài)序號(i=0,1，2,3)；為制造網(wǎng)格中單元的狀態(tài)變量(W0,1,2,3)制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)變量(y三0,1，2,3).由圖2和圖3可知，MG系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)串聯(lián)組成，則其狀態(tài)等于最壞的子系統(tǒng)狀態(tài)y二minv1，V2,V3o設(shè)p(t,i)

18、、Pk(t,i)分別表示制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和第k個單元在時刻t處于狀態(tài)i的概率，i=0，1,2,3,4J三0,叼；整個系統(tǒng)及第k個單元性能可靠性水平分別為R(t，i)及Rk(t)，可表示為mR(t,i)=py(t).i,t0,二=p(t,j)mRk(t,i)='、pk(t,j)mm'、P(t,i)=1pk(t,i)其中，u,®,1=R(t,0)之R(t,1)之R(t,2)之之R(t,m),當(dāng)i=m時p(t,m)=R(t,m)。根據(jù)p(t,i)及R(t,i)的定義，系統(tǒng)處于狀態(tài)i的平均占用時間Ms(i)及平均壽命口e(i)分別為Ms(i)=：p(t,i)dt制)=0Rt,i)dt=M,i)dt="MS(j),i=1,2,；m0j=t04總結(jié)本文闡述了制造網(wǎng)格系統(tǒng)可靠性的內(nèi)涵。在分析制造網(wǎng)格系統(tǒng)的特性的基礎(chǔ)上，確定了其可靠性評價指標(biāo)。并根據(jù)制造網(wǎng)格系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，探討了制造網(wǎng)格的可靠性評價模型。參考文獻：1蔣樂天，徐國治，應(yīng)忍冬，張昊.系統(tǒng)可靠性和應(yīng)用性分析技術(shù).電訊技術(shù),2002,(4),121-1262 GeneJSch