制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性評價(jià)方法的研究

1、制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性評價(jià)方法的研究李嬌嬌化工機(jī)械2011200722摘要：本文針對制造網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(jià)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(jià)模型，為有效地實(shí)施管理提供理論指導(dǎo)。1系統(tǒng)可靠性理論1.1系統(tǒng)可靠性定義時(shí)間間隔t內(nèi)被修復(fù)的概率，記為M(t):關(guān)鍵詞：制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；可靠性評價(jià)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(shí)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(shí)間”是該定義的核心，將可靠性用時(shí)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(shí)驗(yàn)?？煽啃灶A(yù)測即在設(shè)計(jì)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(dá)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(jìn)行合理分配，也就是按系統(tǒng)-子系統(tǒng)-元件，逐一地落實(shí)可靠性指標(biāo)；可靠性優(yōu)化即運(yùn)用最佳備用設(shè)計(jì)、故障診斷技術(shù)和最佳預(yù)防措施來解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)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(dá)到綜合的最佳組合；可靠性實(shí)驗(yàn)即貫穿在系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行的全過程，包括評價(jià)實(shí)驗(yàn)、證實(shí)試驗(yàn)、生產(chǎn)試驗(yàn)和壽

3、命試驗(yàn)。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(Performability)等。1.2.1 可靠度(Reliability)可靠度參數(shù)R(t)從一個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作的時(shí)間長短來描述系統(tǒng)的可靠性。它定義為系統(tǒng)在在時(shí)刻正常工作的條件下，在t0,t1時(shí)間區(qū)間內(nèi)正常工作的概率，表示為R(t)=PXt不可靠度F(t)為：F(t)=1-R(t)1.2.2 可維度(Maintainability)維修性是衡量系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)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)

4、失效后在1.2.3 可用度(Availability)系統(tǒng)的可用性是指在任意時(shí)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(shí)刻的瞬問可用性A(t)是系統(tǒng)的最好度量。表示如下：1tA(t1,t2)t2A(t)dtt2-t1t1As=limA(t)t對于不可維彳系統(tǒng)有A=R。1.2.4 保能度(Performability)保能度P(L,t)的定義是：系統(tǒng)在時(shí)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(xiàng)指標(biāo)，其中引入了一個(gè)部分失效的概念。系統(tǒng)發(fā)生一定的故障，但并

5、不影響系統(tǒng)的運(yùn)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(gè)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(shí)間，MTTR(MeanTimeToRepair)即平均維修時(shí)間，MTBF(MeanTimeBetweenFailure)即平均故障間隔時(shí)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

6、統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的可靠性，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(jì)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(yùn)輸、保管以及在實(shí)際使用過程中的環(huán)境、操作水平、維護(hù)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：5%*RI。對于制造網(wǎng)格系統(tǒng)，關(guān)心的是它工作時(shí)的狀態(tài)，即系統(tǒng)工作可靠性。對于由多個(gè)組件組成的一般系統(tǒng)，可靠性定義為在時(shí)間段0,t內(nèi)系統(tǒng)無故障運(yùn)轉(zhuǎn)的概率?？捎眯远x為在時(shí)刻t

7、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(gè)運(yùn)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(shí)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(jià)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(dá)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性并非某一單項(xiàng)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)體

8、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(gè)等級，其狀態(tài)空間為：VS=0,123。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(yùn)轉(zhuǎn)可靠，“3”表示系統(tǒng)能夠高性能運(yùn)轉(zhuǎn)。具體含義如下：可用狀態(tài)，MG系統(tǒng)在時(shí)刻能否運(yùn)轉(zhuǎn)；可靠狀態(tài)，MG系統(tǒng)在時(shí)刻正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，能否在時(shí)間區(qū)間(t0,t)內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；高性能狀態(tài)，MG系統(tǒng)在時(shí)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(yùn)行期間的制造網(wǎng)格系統(tǒng)主要從三個(gè)

9、層次對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行監(jiān)控和管理：應(yīng)用可用度，MG系統(tǒng)在時(shí)刻能否運(yùn)轉(zhuǎn)的概率；應(yīng)用可靠度MG系統(tǒng)在時(shí)刻正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，能否在時(shí)間區(qū)間(t0，t)內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的概率；應(yīng)用保能度，MG系統(tǒng)在時(shí)間區(qū)間«0寸)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(shí)間點(diǎn)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(shí)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(shí)間段內(nèi)的運(yùn)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

10、性能與可靠性結(jié)合起來的一項(xiàng)指標(biāo)。2.3 相關(guān)量化可靠性指標(biāo)評價(jià)系統(tǒng)可靠性的單項(xiàng)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(jì)的角度出發(fā)評價(jià)系統(tǒng)的可靠性。對MG系統(tǒng)的可靠性評價(jià)，應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的狀態(tài)來評價(jià)。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(shí)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(shí)刻t處于狀態(tài)i的概率，且R(t,m)0&R(t,1)<R(t,0)=1。2.3.2 可

11、靠性水平系統(tǒng)可靠性水平指系統(tǒng)處于狀態(tài)i的平均逗留時(shí)Ms(i)=；p(t,i)dtI日，表本為：0其中，p(t,i)是MG系統(tǒng)在時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間，因?yàn)樗且粋€(gè)以潛在的失效時(shí)間整體的隨機(jī)屬性為特征的隨機(jī)變量。由于組件的失效是一個(gè)隨機(jī)過程，在特定時(shí)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

12、制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行模式BlockDiagramtiF(t)=f(t)dt0,其中f(t)是組件的失效概率密度函數(shù)。F(t)是失效密度函數(shù)的積分，當(dāng)f趨近無窮大的時(shí)候，它趨近于1。這表示沒有項(xiàng)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(shí)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(shí)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:可靠性框圖分析法(ReliabilityAnalysis)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。

13、f(t)f(t)h(t)=二1-F(t)R(t)。組件的失效分布一般通過對失效時(shí)間觀測的有效歷史記錄進(jìn)行曲線擬和、統(tǒng)計(jì)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(jià)模型3.1 制造網(wǎng)絡(luò)系統(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(yùn)行模式如圖1所示：相互獨(dú)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，如圖2所示：從MG系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)。因此，在進(jìn)行監(jiān)控和管理的同時(shí)，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(gè)門戶服務(wù)器是并聯(lián)關(guān)

14、系。系統(tǒng)中的各種應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)保障，其中一個(gè)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(diǎn)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Rys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(jìn)行定量分析和定量計(jì)算只能用可靠性數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行。3.2 制造網(wǎng)格系統(tǒng)可靠性層次評價(jià)模型進(jìn)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(jià)模型。制造網(wǎng)格系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在其可靠性評價(jià)中將整個(gè)系統(tǒng)分成了四

15、個(gè)層次：系統(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(gè)子系統(tǒng)具有一定的獨(dú)立性又相互聯(lián)接成有機(jī)整體。對MG系統(tǒng)的可靠性評價(jià)，首先要考察各個(gè)子系統(tǒng)的可靠性。對單一功能子系統(tǒng)，其可靠性評價(jià)模型(REM)可表示為：REM=(V,VS,v)其中V=(V1,V2,，Vn)是表征具體監(jiān)控對象運(yùn)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(gè)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(jià)模型(MGREM)可以形式化地表不為:MG

16、REM=f(rem1,rem2，remn)其中remi表示第i個(gè)子系統(tǒng)的可靠性。不同的子系統(tǒng)可靠性對整個(gè)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(九,，/m)為可靠性評價(jià)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(jià)模型：MGREM=f(rem,rem?,remj=Z兒rem/ni在單個(gè)組件的可靠性評價(jià)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(shí)時(shí)地從運(yùn)行中的組件中取出的參數(shù)，是實(shí)際存在的參數(shù)；性能參數(shù)能夠反映組件的運(yùn)行狀態(tài)，在性能參數(shù)與狀態(tài)參數(shù)之間有個(gè)待定的參數(shù)映射關(guān)系，對于每一個(gè)不同的組件，其

17、狀態(tài)參數(shù)、性能參數(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(jià)模型的評價(jià)，就得到我們需要的可靠性參數(shù)用于評價(jià)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(jià)模型可靠性參數(shù)1可靠性參數(shù)1圖4可靠性評價(jià)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(jià)模型。設(shè)k為單元序號«=12,n)；iwVS為系統(tǒng)中的狀態(tài)序號1,2,3)；為制造網(wǎng)格中單元的狀態(tài)變量(Vk三012,3),y為制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)變量(y*O,1,2,3).由圖2和圖3可知，MG系統(tǒng)由三個(gè)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=minv1，V2*

18、o設(shè)p(t,i)、Pk(t,i)分別表示制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和第k個(gè)單元在時(shí)刻t處于狀態(tài)i的概率，i=0,123,4J三0嚴(yán)；整個(gè)系統(tǒng)及第k個(gè)單元性能可靠性水平分別為R(t,i)及Rk，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(shí)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(shí)間Ms(i)及平均壽命口e(i)分別為Ms(i)=：p(t,i)dtN)=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(jià)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(jià)模型。參考文獻(xiàn)：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