基于形式化技术的复杂机电系统可靠性评价方法研究

Reliability assessment is a key aspect in the complex electromechanical system development process,as well as an importment means to assure inherent reliability and reduce fault hazards of complex electromechanical system.In this research project, the formal techniques are introduced to reliability assessment to solve the problems due to informalization of reliability assessment for complex electromechanical system reliability.State analytics in the behavior process of complex electromechanical system is researched based on the process model and state transition model.Formal modeling technique for the behavior of complex electromechanical system is studied based on the Behavior Trees.Formal representation method for reliability requirements of complex electromechanical system is investigated by means of system states and temporal logic.Based on the above researches, a formal technique-based reliability assessment method for complex electromechanical system is established, and a corresponding support software system prototype for formal assessment of complex electromechanical sysytem reliability is developed,which is then tested taking an industrial CNC machining center as an example.The purposes of this research project is to realize the formalization and automation of reliability assessment for complex electromechanical system,and provide a novel approach to analyze and evaluate the reliability of complex electromechanical system correctly and efficiently.The research project is of great theoretical significance and practical value not only in developing reliability assessment methods, but also in encouging the independent research and development of complex electromechanical system with high reliability and safety.

可靠性评价是复杂机电系统设计过程中的一个重要环节，也是保证复杂机电系统固有可靠性、降低潜在故障危害的一种重要手段。为解决目前复杂机电系统可靠性评价方法由于非形式化而导致的一系列问题，本项目将形式化技术引入复杂机电系统的可靠性评价。基于复杂机电系统的过程模型和功能载体的状态变迁模型研究系统的状态解析，利用行为树研究系统行为过程的形式化建模，基于系统状态并利用时态逻辑研究系统可靠性要求的形式化表达。在此基础上，结合形式化验证技术建立基于形式化技术的复杂机电系统可靠性评价理论与方法，开发基于形式化技术的可靠性评价系统原型，并结合实例进行验证。项目研究旨在实现复杂机电系统可靠性评价的形式化和自动化，为准确、高效地分析评价复杂机电系统可靠性提供一条新的思路和方法。本项目研究对丰富和发展复杂机电系统的可靠性评价方法、促进我国高可靠性和安全性复杂机电系统的自主研发具有十分重要的理论意义和实用价值。

可靠性是衡量复杂机电系统性能的重要指标之一，但传统的可靠性分析方法是非形式化的，分析繁琐且容易出错。本课题将模型检测技术（形式化技术）引入复杂机电系统的可靠性评价，提出了基于形式化技术的复杂机电系统可靠性评价方法。基于IDEF0和IDEF3的建模思想，对IDEF0基本组件中的输入、输出、控制和机制进行了定义，建立了机电系统行为过程的形式化表达及行为过程中的状态变迁网络，研究了机电系统行为过程中功能载体的状态，对机电系统行为之间的时序表达进行了定义并据此构建了机电系统行为过程的行为流网络，从而获得机电系统行为过程中的状变迁序列。对复杂机电系统功能执行过程中的状态变迁机制进行了研究，并基于机电系统的状态变迁机制及概率行为树的语义和句法，对机电系统功能载体状态变迁过程中的状态、事件、控制逻辑等表达问题进行了研究，提出了基于概率行为树的机电系统形式化建模方法。分别针对SAL和PRISM两种模型检测工具，以机电系统功能载体的状态来表征机电系统的行为特征，对基于计算树逻辑CTL和连续随机逻辑CSL的可靠性要求形式化表达进行了研究，实现了复杂机电系统可靠性要求的形式化规约。在以上研究的基础上，通过对机电系统的形式化建模及潜在故障的形式化规约，实现了基于SAL的机电系统FMEA和基于PRISM的机电系统概率FMEA（PFMEA）。研究了基于概率模型检测的机电系统可靠性评价方法，并针对机电系统中的失效相关问题，利用概率模型检测技术实现了对机电系统的动态可靠性评价。基于机电系统概率行为树模型与PRISM建模语言的语义和句法，给出了由概率行为树模型向模型检测工具PRISM模型转换的规则，开发了概率行为树建模原型软件BTEditor，基于BTEditor和概率模型检测工具PRISM实现了基于形式化技术的复杂机电系统可靠性评价，并以数控机床进给系统为例进了验证。本课题研究对高效准确地评价复杂机电系统的可靠性特别是FMEA分析提供了一种有效的方法，对促进和提高复杂机电系统的可靠性和安全性具有重要的理论意义和实用价值。