遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性仿真研究

于 嵩，敖長林，陳紅光

（1.東北農業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150010；2.東北農業(yè)大學理學院，哈爾濱 150030；3.東北農業(yè)大學水利與建筑學院，哈爾濱 150030）

近年來，隨著單片機系統(tǒng)的不斷發(fā)展，單片機在精準農業(yè)、工業(yè)自動化、生產(chǎn)過程控制、智能化測試儀器儀表等領域的應用越來越深入。由于測控系統(tǒng)所處的環(huán)境越來越復雜，各種不同形式的干擾都在影響系統(tǒng)的正常運行；有來自系統(tǒng)內部和外部的各種電氣干擾，還有系統(tǒng)的結構設計、元器件的選擇、安裝和制造工藝等因素的影響，均可降低單片機系統(tǒng)的可靠性，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集誤差大、控制狀態(tài)失靈、數(shù)據(jù)發(fā)生變化等方面[1]。

遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時準確采集和遠距離傳輸，在精準農業(yè)中占有重要地位，其可靠性高低直接影響測產(chǎn)系統(tǒng)的信息傳輸質量，進而影響機器系統(tǒng)的作業(yè)效果，研究其可靠性對農業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

本文采用計算機仿真技術對系統(tǒng)進行可靠性分析，利用故障樹分析和蒙特卡羅相結合方法，對遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行可靠性仿真，找到影響系統(tǒng)可靠性的各種不利因素，從而采取相應預防措施。

1 系統(tǒng)工作原理和失效分析

1.1 遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的的工作原理

本系統(tǒng)設計的硬件電路由兩個模塊組成，分別是采集模塊和通信模塊；采集模塊在現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集和處理，通過有線或者無線設備與通信模塊進行數(shù)據(jù)通信，通信模塊還要與計算機進行串口通信。系統(tǒng)硬件電路如圖1所示。采集模塊由模數(shù)轉換電路、單片機電路、串并轉換電路、調制解調電路組成。該模塊完成模擬量向數(shù)字量的轉換，數(shù)據(jù)處理，信號的調制，信號的功率放大及發(fā)送等功能。通信模塊由調制解調電路，串并轉換電路，單片機電路組成，主要完成信號的接收和放大，并與計算機進行串口通信。

圖1 系統(tǒng)硬件電路原理Fig.1 System hardware circuit

1.2 系統(tǒng)的失效分析及其故障樹

故障樹分析法（FAT），是一種評價復雜系統(tǒng)可靠性與安全性的重要方法。FAT把系統(tǒng)事件作為故障樹的頂事件，用規(guī)定的邏輯符號表示，找出導致事件所有可能發(fā)生的直接因素和原因，它們是處于過渡狀態(tài)的中間事件，并由此逐步深入分析，直到找出事故的基本原因，即故障樹的底事件為止，這樣逐層的建立系統(tǒng)故障樹。該系統(tǒng)由兩套單片機系統(tǒng)和連接二者的有線或無線設備組成，單片機應用系統(tǒng)的硬件電路構成比較復雜、所用元件品種繁多，工作場所環(huán)境復雜，所以系統(tǒng)失效的因素也比較多。

由于外界干擾和電源內部噪聲等影響，可使電源發(fā)生故障，電源故障則會導致系統(tǒng)供電不足或運行故障。在實際的工業(yè)現(xiàn)場，存在著大量的復雜的干擾信號,可導致采集模塊的組成電路發(fā)生故障，如傳感器故障、模數(shù)轉換電路故障、調制解調電路故障等。導致通信模塊故障的原因是由于外界干擾（如空間電場磁場干擾）的存在，出現(xiàn)信道故障，單片機電路故障，接收電路故障,通信電路故障等。根據(jù)以上分析建立本系統(tǒng)的故障樹，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的故障樹Fig.2 System fault tree

2 系統(tǒng)的數(shù)字仿真原理及過程

2.1 仿真模型的建立

2.1.1 系統(tǒng)組成

由圖2可知，遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的故障樹含有9個底事件，用S表示系統(tǒng)，則有：

其中Zi（i=1，2，…，9）表示底事件，已知每一個底事件的失效分布函數(shù)均為指數(shù)分布，設為：

其中λi（i=1，2，…，9）為失效率。

2.1.2 可靠性仿真邏輯關系

如果故障樹的一些底事件都發(fā)生時將會引起頂事件發(fā)生，那么這些底事件組成的集合就稱為這個故障樹的割集；若將割集中所含的底事件任意去掉一個就不再成為割集，則該割集稱為最小割集。對系統(tǒng)建立的故障樹，用下行法[2-3]求出其所有最小割集為9個。

以Mi（i=1，2，…，9）表示最小割集，根據(jù)最小割集的定義，只要有一個最小割集發(fā)生，則頂事件必然發(fā)生，而該最小割集中的底事件必全部發(fā)生，所以，頂事件Φ和最小割集及其包含的底事件之間的邏輯關系表示為：

2.2 系統(tǒng)可靠性仿真原理及過程

系統(tǒng)可靠性仿真利用Monte Carlo方法[4]產(chǎn)生0～1之間的均勻隨機數(shù)，代入到基本部件的失效分布函數(shù)的反函中，得到底事件的失效時間。仿真時，在每個最小割集范圍內找出失效時間最大的部件，該部件失效時，該割集中所有的部件已經(jīng)失效，從而說明系統(tǒng)失效。由于最小割集之間的關系為或的邏輯關系，所以對所有失效時間最大值再排序，找出其中最小值，就是系統(tǒng)的失效時間[5-6]。仿真過程如下：

2.2.1 初始數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)的基本部件的失效分布函數(shù)均為指數(shù)分布，總仿真次數(shù)為10 000次，系統(tǒng)最大工作時間為25 000 h，最小割集數(shù)目為9個，即所有的底事件。

2.2.2 底事件的失效時間

已知基本部件的失效分布函數(shù)及參數(shù),利用反函數(shù)法求得第i個底事件Zi失效時間為：

其中f（u）是基本部件的失效分布函數(shù)，f-1（u為其反函數(shù)，u為0～1之間分布的隨機數(shù)。

2.2.3 系統(tǒng)的失效時間

不失一般性，若系統(tǒng)有k個最小割集，每個割集中有p個基本部件。

①取p個抽樣時間，取k次，每次取的抽樣時間必須滿足隨機性和獨立性的要求，代入到最小割集中，得：

這樣可得到每個最小割集的抽樣時間T1，T2，…，Tk。

②對k個最小割集抽樣時間令TT=min{T1，T2，…，Tk}，得到時間等價于系統(tǒng)做一次仿真試驗的失效時間。

③重復1）、2）步n次，得到系統(tǒng)失效時間的實現(xiàn)值序列：TT1，TT2，…，TTn。

④在仿真運行期間，記錄所需的統(tǒng)計量，在仿真結束之后，整理并輸出各種統(tǒng)計量。

本文研究的系統(tǒng)k取9，p取1，n取10 000，則最終得到系統(tǒng)失效時間：TT1，TT2，…，TT10000。

2.2.4 仿真結果統(tǒng)計分析

仿真完成后，需要對仿真的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。利用文獻[5]中的區(qū)間統(tǒng)計法進行系統(tǒng)失效數(shù)的分布統(tǒng)計，進而算出系統(tǒng)可靠性指標,得到系統(tǒng)總失效率為：1.253×10-4·h-1，系統(tǒng)平均無故障工作時間（MTBF）為：7 980 h。圖3給出了系統(tǒng)仿真的流程。

3 仿真實驗結果分析

本系統(tǒng)的故障樹由4個門事件和9個基本部件組成。應用Matlab7.0開發(fā)了相應的軟件，軟件程序框圖見圖3。系統(tǒng)最大仿真時間設為25 000 h，仿真運行10 000次，把各基本部件失效率、故障樹割集等數(shù)據(jù)輸入仿真軟件并運行，可以得到系統(tǒng)可靠度曲線、基本部件模式重要度直方圖，如圖4、5所示。

由圖4可以看出，系統(tǒng)可靠度曲線近似符合失效規(guī)律為指數(shù)分布的曲線形式。由曲線可以得到，系統(tǒng)可靠度達到50%時，對應的時間為7.1×103h，約為10個月，系統(tǒng)的可靠度達到90%時，對應的時間為1 240 h，這種情況說明要保持系統(tǒng)高可靠性運行，就要開始使用約為51 d內對系統(tǒng)做一次檢查比較合理。

圖3 系統(tǒng)仿真程序框Fig.3 System simulation block

圖4 系統(tǒng)可靠度曲線Fig.4 System reliability curve

由圖5可知，基本部件3、4的模式重要度大，說明這些部件失效最容易引起系統(tǒng)失效，應該重點維護，及時維修。

圖5 基本部件模式重要度直方圖Fig.5 Mode importance of the basic components of the histogram

4 結論

本文采用故障樹最小割集和蒙特卡羅相結合的方法對遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)字仿真，得到系統(tǒng)可靠性相關指標的曲線，即可靠度和失效率曲線；可靠性仿真可顯著降低遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性試驗費用和縮短試驗周期，研究結論將為遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用管理、維修提供理論參考依據(jù)。

[1]洪志剛.單片機應用系統(tǒng)設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[2]魏選平,卞樹檀.故障樹分析法及其應用[J].計算機科學與技術,2004(3):43-45.

[3]金星,洪延姬,沈懷榮,等.系統(tǒng)可靠性數(shù)值分析方法[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

[4]肖剛,李天柁.系統(tǒng)可靠性分析中的蒙特卡羅方法[M].北京:科學出版社,2003.

[5]袁立峰,王浚.可靠性數(shù)字仿真方法及其應用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2005(2):17-20

[6]楊為民,盛一興.系統(tǒng)可靠性數(shù)字仿真[M].北京:航空航天大學出版社,1990.