基于系统设计模型的动态故障树构建与分析方法研究

基于系统设计模型的动态故障树构建与分析方法研究

论文摘要

伴随嵌入式系统在航空、航天、核工业等安全关键领域被广泛应用,其规模和复杂度在不断增加,如何保证安全关键嵌入式系统的可靠性和安全性已经成为当前学术界和工业界的研究重点。一方面,嵌入式系统研发周期中大部分错误主要集中产生于系统设计阶段,而由于系统设计和系统分析相互分离,后期进行系统分析时,修正每个错误所要花费的代价是系统早期设计阶段修正错误代价的几倍甚至几十倍。另一方面,动态故障树作为一种有效的且被广泛应用的系统可靠性和安全性分析模型,其构建方式通常基于分析工程师手动构建,大大降低了模型的可靠性。随着系统规模的不断增加,手动构建动态故障树变得愈发困难,且基于马尔可夫链的动态故障树定量分析方法由于缺乏有效工具的支撑,存在计算过程复杂且容易出现人为错误、耗费大量人力物力和计算结果不精确等缺点。针对以上问题,本文提出一种基于系统设计模型SysML的动态故障树自动构建方法,将系统设计与系统分析相结合,在系统设计的同时进行可靠性分析;并结合概率模型检测方法,提出一种基于概率模型检测工具PRISM的动态故障树定量分析方法,能够高效精确的对动态故障树进行定量分析。论文的主要研究内容如下:(1)提出一种基于SysML活动图和扩展后的SysML模块定义图的动态故障树构建方法,首先基于SysML的Profile扩展机制,对SysML模块定义图进行故障描述语义扩展,然后结合SysML活动图提出一种动态故障树的自动构建算法,自动生成动态故障树。(2)提出一种结合概率模型检测工具PRISM的动态故障树定量分析方法,使用连续时间马尔可夫链模型对动态故障树进行形式化规约,并用PRISM语言对连续时间马尔可夫链模型进行描述,生成PRISM工具的输入模型,然后定义定量分析CSL属性规约公式,最后运行工具得出定量分析的结果。(3)设计实现了动态故障树自动生成和转换到PRISM代码的原型工具T-CDFT2PRISM,并对一个飞机结冰探测系统案例进行分析,说明本文所提方法的可行性和合理性。为安全关键嵌入式系统的可靠性分析工作提供了一种新思路。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 缩略词
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景
  •   1.2 研究现状及选题依据
  •     1.2.1 动态故障树相关研究现状
  •     1.2.2 概率模型检测相关研究现状
  •     1.2.3 选题依据
  •   1.3 论文组织结构
  • 第二章 基于SysML的动态故障树构建与定量分析方法
  •   2.1 SysML和动态故障树分析方法简述
  •     2.1.1 SysML简述
  •     2.1.2 动态故障树分析方法
  •   2.2 形式化建模与验证方法
  •     2.2.1 形式化方法概述
  •     2.2.2 概率模型检测方法概述
  •   2.3 基于系统设计模型SysML的动态故障树构建与定量分析框架
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 基于SysML模型的动态故障树生成方法
  •   3.1 SysML模块定义图的故障描述语义扩展
  •     3.1.1 基于Profile的SysML扩展机制
  •     3.1.2 模块定义图的故障描述语义扩展
  •   3.2 基于SysML活动图和扩展模块定义图的动态故障树生成方法
  •     3.2.1 基于SysML的动态故障树自动构建过程转换原则
  •     3.2.2 动态故障树自动构建算法的设计
  •   3.3 实验案例分析
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 基于概率模型检测的动态故障树定量分析方法
  •   4.1 动态故障树的形式化描述
  •     4.1.1 动态故障树的约简规则
  •     4.1.2 动态故障树到连续时间马尔可夫链的转换
  •   4.2 基于概率模型检测的动态故障树定量分析
  •     4.2.1 概率模型检测工具PRISM
  •     4.2.2 连续时间马尔可夫链到PRISM代码的转换
  •     4.2.3 连续随机逻辑CSL的定量分析属性规约
  •     4.2.4 动态故障树定量分析
  •   4.3 实验案例分析
  •   4.4 本章小结
  • 第五章 原型工具的设计实现与案例分析
  •   5.1 动态故障树自动构建与转换工具T-CDFT2PRISM的设计与实现
  •   5.2 飞机结冰探测系统的动态故障树生成
  •     5.2.1 系统SysML模型的建立与扩展
  •     5.2.2 系统动态故障树生成
  •   5.3 飞机结冰探测系统动态故障树定量分析
  •   5.4 本章小结
  • 第六章 结论
  •   6.1 论文工作总结
  •   6.2 未来工作展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 硕士研究生期间的研究成果及发表的学术论文
  • 附录
  •   附录A:飞机结冰探测系统动态故障树XML文档
  •   附录B:飞机结冰探测系统动态故障树PRISM代码
  • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 宛伟健

    导师: 黄志球

    关键词: 动态故障树分析方法,概率模型检测,定量分析

    来源: 南京航空航天大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 非线性科学与系统科学

    单位: 南京航空航天大学

    分类号: N945.1

    DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.001926

    总页数: 81

    文件大小: 3307K

    下载量: 95

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