基于决策图的竞争动态系统可靠性分析

In dynamic systems with functional dependence, there exist competitions in time domain between failure propagation and failure isolation which have brought huge challenge to reliability analysis of dynamic systems. There are two types of existing methods for reliability analysis of compeitng dynamic systems: Markov method and decomposition & aggregation method which have the problems of state space explosion and repeating solutions for a large number of isomorphic sub-models, respectively, limiting them to only small to medium-sized systems. Moreover, there is a lack of efficient reliability analysis methods for multi-state systems and phased-mission systems subject to competing failures. The project studies decision diagram-based reliability models and analysis methods for binary state systems, multi-state systems, and phased-mission systems subject to competing failures. In particular, the expanded fault tree models for competing failures will be built, competing decision diagram models will be established, and corresponding evaluation algorithms will be developed. This project will not only provide efficient solutions for reliability analysis of competing dynamic systems, but also expand applications of decision diagram models in the reliability analysis of dynamic systems, which have great theoretical and practical significances.

在有功能相关的动态系统中，失效传播与失效隔离在时域上存在竞争关系，给动态系统可靠性分析带来了巨大的挑战。现有的竞争动态系统可靠性分析有两类方法：马尔可夫方法存在状态空间爆炸的问题，分解聚合方法则存在大量同构子模型重复求解的缺陷，因此它们仅能分析中小规模系统的可靠性，此外，针对存在竞争失效的多状态系统及多阶段任务系统的可靠性分析方法的研究还很不完善。本项目针对存在竞争失效行为的二态系统、多状态系统及多阶段任务系统，研究基于决策图的新型竞争失效可靠性分析模型与方法。重点研究：竞争失效扩展故障树的构建，竞争决策图模型的构建，及竞争决策图评估算法的设计。该研究将为有效地分析竞争动态系统可靠性提供解决方案，同时也将拓展决策图在动态系统可靠性分析领域中的应用，具有重要的理论和实际意义。

在存在功能相关的动态系统中，触发元件本地失效与相关元件的传播失效在时域上存在竞争关系，给动态系统可靠性分析带来了巨大的挑战。.本项目针对存在竞争失效的二态系统，多状态系统及多阶段任务系统的可靠性研究了基于决策图的可靠性分析方法。主要完成内容包括：.1. 二态系统竞争决策图模型和方法的研究.针对存在竞争失效的二态系统，提出了能描述竞争失效行为的扩展故障树，并首次提出了竞争二态决策图（CBDD）模型，确定了CBDD的生成算法，并充分考虑竞争失效的影响，提出了CBDD模型的评估方法，从而形成完整的二态系统竞争失效可靠性分析方法。将算法与传统的马尔可夫方法进行了比较及验证。此外，针对竞争失效系统可靠性提出了一种基于决策图简化的改进组合算法。.2. 多状态系统竞争决策图模型和方法的研究.对存在故障级别覆盖（FLC）的多状态云存储竞争失效系统进行了建模和分析，提出了一种基于多值决策图的组合方法来分析多状态云存储系统的可靠性。研究了RAID控制器和磁盘之间的功能依赖行为对系统可靠性的影响。通过对示例云存储系统的详细分析，研究了不同设计参数对系统性能的影响。.3. 多阶段任务系统竞争决策图模型和方法的研究.研究了三种不同类型的k-out-of-n多阶段任务系统的特点，针对不同系统提出了不同且全新的多值决策图（MDD）模型的生成方法，并开发出相应的MDD可靠性高效分析算法；此外，针对存在共因失效的多阶段任务系统提出了三种有效的MDD可靠性分析方法：一种显式算法和两种隐式算法，比较上述三个算法的评估效率。..在项目执行期间，共培养硕士生2名，发表标注本课题基金号的学术专著2部与学术论文9篇，其中期刊论文6篇，会议论文3篇。有5篇发表在可靠性国际顶级期刊Reliability Engineering & System Safety、IISE Transactions、Computers & Industrial Engineering、Quality and Reliability Engineering International上；1部学术专著入选“十三五”国家重点出版物出版规划项目。