基于自適應(yīng)Agent仿真的系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)方法

申 瑩，曹軍海，吳 緯，范海龍，魏小軍

(1.裝甲兵工程學(xué)院技術(shù)保障工程系，北京100072;2.裝甲兵工程學(xué)院裝甲兵裝備技術(shù)研究所，北京100072;3.68207部隊(duì)，甘肅嘉峪關(guān)735100)

傳統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)模型以系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)方程為主要形式，這種方法適于預(yù)計(jì)復(fù)雜度不高的系統(tǒng)，且主要適用于對(duì)系統(tǒng)固有可靠性水平的預(yù)計(jì)。對(duì)于具有復(fù)雜任務(wù)剖面或者具有多種工況模式的復(fù)雜產(chǎn)品，采用傳統(tǒng)方法較難預(yù)測(cè)其在環(huán)境動(dòng)態(tài)變化影響下的實(shí)際可靠性水平，而基于仿真的可靠性預(yù)計(jì)方法則能較好地解決這一問題［1-4］。無(wú)論處在研制的哪個(gè)階段，都可以運(yùn)用仿真方法開展預(yù)計(jì)工作，且其執(zhí)行預(yù)計(jì)的難度和計(jì)算復(fù)雜度不會(huì)隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的提高而呈指數(shù)增長(zhǎng)，其預(yù)測(cè)的精確度主要與所提供的可靠性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有關(guān)。本文研究了基于Agent仿真的裝備系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)模型和方法，旨在促進(jìn)裝備系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)的有效開展。

1 基于自適應(yīng)Agent的系統(tǒng)可靠性仿真建?？蚣?/h2>

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)系統(tǒng)可靠性仿真需求，基于自適應(yīng)Agent的裝備系統(tǒng)可靠性仿真圍繞任務(wù)過程、環(huán)境變化影響、系統(tǒng)使用過程和系統(tǒng)單元可靠性行為4個(gè)主要功能而設(shè)計(jì)，其體系結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.2 Agent關(guān)系模型

在該體系結(jié)構(gòu)中，總共設(shè)計(jì)了3類Agent對(duì)象，包括環(huán)境仿真 Agent、系統(tǒng)仿真Agent和單元仿真Agent。這3類Agent對(duì)象構(gòu)成了基于自適應(yīng)Agent的裝備系統(tǒng)仿真模型的3層體系結(jié)構(gòu)。

圖1 基于自適應(yīng)Agent的系統(tǒng)可靠性仿真的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型

第1層次:環(huán)境仿真層次。每個(gè)系統(tǒng)仿真模型中，只包含一個(gè)環(huán)境仿真Agent，主要解決對(duì)特定任務(wù)剖面、環(huán)境影響因素的變化過程的模擬。

第2層次:系統(tǒng)仿真層次。由系統(tǒng)仿真Agent組成，系統(tǒng)仿真Agent是代表仿真模型分析和研究的復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)象，一個(gè)模型中可以包含多個(gè)系統(tǒng)仿真Agent。

第3層次:單元仿真層次。由自適應(yīng)Agent組成的工作單元層，是體系結(jié)構(gòu)中的最基本單元，它表現(xiàn)為由自適應(yīng)Agent組成的動(dòng)態(tài)組織，模擬最基本的功能單元，如零部件、元器件等。這些Agent之間通過可靠性關(guān)系通道(Reliability Relation Channel，RRC)，根據(jù)環(huán)境的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接，以表達(dá)不同任務(wù)階段系統(tǒng)可靠性模型的動(dòng)態(tài)變化。

3個(gè)層次中的Agent之間主要通過消息的傳遞來(lái)建立相互關(guān)系，并形成動(dòng)態(tài)的組織結(jié)構(gòu)，共同模擬復(fù)雜系統(tǒng)在特定環(huán)境下的可靠性行為。

3類Agent之間存在多種關(guān)系，如圖2所示。

1.3 消息傳遞模型

Agent之間的協(xié)商、合作、控制和影響操作均通過消息傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)。3種類型Agent之間的消息傳遞模型如圖3所示。Agent之間的通訊通過標(biāo)準(zhǔn)A-gent通訊語(yǔ)言(Agent Communication Language，ACL)來(lái)進(jìn)行。

圖2 基于自適應(yīng)Agent的系統(tǒng)可靠性仿真Agent關(guān)系模型

圖3 基于自適應(yīng)Agent的系統(tǒng)可靠性仿真的消息傳遞模型

在可靠性仿真過程中，消息的基本傳遞過程為:仿真開始后，環(huán)境仿真Agent會(huì)通知系統(tǒng)任務(wù)開始(消息1)，系統(tǒng)接到消息后會(huì)馬上通知所屬各個(gè)單元開始工作(消息2);在任務(wù)啟動(dòng)后的仿真過程中，環(huán)境仿真Agent會(huì)根據(jù)任務(wù)階段及環(huán)境的變化，適時(shí)通知系統(tǒng)任務(wù)階段及環(huán)境影響因子發(fā)生變化(消息3)，系統(tǒng)則通知所屬單元更新環(huán)境影響因子并調(diào)整可靠性關(guān)系(消息4);在執(zhí)行任務(wù)的過程中，單元會(huì)在自身發(fā)生故障事件時(shí)，通知系統(tǒng)自身發(fā)生故障(消息5)，系統(tǒng)則通知環(huán)境仿真Agent系統(tǒng)發(fā)生故障(消息6)，并等候指令，在這種情況下，環(huán)境仿真Agent將根據(jù)仿真的設(shè)置，可以選擇以下2種響應(yīng)模式。

模式1:環(huán)境仿真Agent通知系統(tǒng)停機(jī)維修(消息7)，系統(tǒng)通知單元進(jìn)行維修(消息8);單元修復(fù)后，通知系統(tǒng)故障已經(jīng)修復(fù)(消息9)，系統(tǒng)接到單元故障已經(jīng)修復(fù)的消息后，通知環(huán)境仿真Agent系統(tǒng)已經(jīng)修復(fù)(消息10)，系統(tǒng)可以工作，環(huán)境仿真Agent則命令系統(tǒng)恢復(fù)執(zhí)行任務(wù)(消息11)，然后系統(tǒng)會(huì)通知各個(gè)單元恢復(fù)工作(消息12)。

模式2:環(huán)境仿真Agent通知系統(tǒng)停機(jī)(消息13)，系統(tǒng)則通知單元停止工作(消息14)，本次任務(wù)失敗退出。

如果仿真過程中系統(tǒng)沒有發(fā)生致命故障，則當(dāng)該次任務(wù)執(zhí)行完成后，環(huán)境仿真Agent也會(huì)通知系統(tǒng)停機(jī)等待下次任務(wù)(消息13)，系統(tǒng)則通知單元停止工作(消息14)。

2 基于自適應(yīng)Agent的系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)模型與方法

采用自適應(yīng)Agent仿真模型對(duì)于可靠性仿真預(yù)計(jì)工作來(lái)說，能夠有效降低仿真建模的復(fù)雜度，而且能夠方便地面向任務(wù)考慮環(huán)境等影響因素對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響，這種方法既適用于系統(tǒng)基本可靠性指標(biāo)的預(yù)計(jì)，也可以很好地進(jìn)行系統(tǒng)任務(wù)可靠性指標(biāo)的預(yù)計(jì)，稍作改進(jìn)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)在使用環(huán)境下的使用可用度及維修性指標(biāo)等的預(yù)計(jì)和分析;因此是一種更為有效、實(shí)用的裝備系統(tǒng)可靠性仿真預(yù)計(jì)方法。在采用基于Agent的仿真方法進(jìn)行系統(tǒng)可靠性指標(biāo)預(yù)計(jì)時(shí)，其工作流程(圖4)分為3個(gè)階段。

圖4 基于自適應(yīng)Agent仿真的系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)工作流程

階段1:概念建模。該階段的主要工作包括:

1)進(jìn)行系統(tǒng)任務(wù)剖面、壽命剖面、使用環(huán)境和條件、系統(tǒng)功能等分析工作;

2)建立系統(tǒng)可靠性模型(可靠性框圖);

3)進(jìn)行零部件的可靠性指標(biāo)分析及預(yù)計(jì)等。

該階段工作的主要輸出包括:

1)系統(tǒng)任務(wù)剖面模型/壽命剖面模型;

2)系統(tǒng)功能框圖;

3)系統(tǒng)可靠性框圖;

4)零部件可靠性分布模型等。

階段2:仿真建模。該階段的主要工作包括:依據(jù)本文提出的基于自適應(yīng)Agent的系統(tǒng)可靠性仿真建?？蚣?FARSiM)，開展自適應(yīng)Agent、系統(tǒng)仿真Agent和環(huán)境仿真Agent的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行模型綜合，建立系統(tǒng)可靠性仿真模型。由于多Agent仿真技術(shù)具有代碼可重用性很高的特點(diǎn)，該階段的工作完全可以利用本文開發(fā)并提供的基于自適應(yīng)Agent的系統(tǒng)可靠性仿真模型，對(duì)其中Agent進(jìn)行簡(jiǎn)單改進(jìn)，既可以應(yīng)用于所需領(lǐng)域的可靠性仿真預(yù)計(jì)工作，又可以節(jié)省工作量和工作難度。

階段3:仿真實(shí)驗(yàn)。該階段的主要工作包括:

1)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);

2)系統(tǒng)可靠性仿真實(shí)驗(yàn);

3)仿真數(shù)據(jù)分析;

4)仿真報(bào)告輸出等。

該階段的工作具有2個(gè)特點(diǎn):

1)仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)仿真的復(fù)雜度、仿真時(shí)長(zhǎng)等因素，考慮采取單系統(tǒng)多次迭代實(shí)驗(yàn)和多系統(tǒng)一次實(shí)驗(yàn)等方案;

2)仿真實(shí)驗(yàn)過程通常會(huì)與仿真模型的改進(jìn)相結(jié)合進(jìn)行，開始可先通過初步實(shí)驗(yàn)檢查仿真模型的有效性，并根據(jù)問題修正仿真模型，經(jīng)多次修正之后，再進(jìn)行正式的仿真實(shí)驗(yàn)并采樣用于分析的數(shù)據(jù)。

另外，階段3對(duì)仿真數(shù)據(jù)的分析，還應(yīng)注意采用相似系統(tǒng)真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，保證數(shù)據(jù)的可信性和有效性。

3 示例分析

以某通訊產(chǎn)品為例，其功能為通訊信號(hào)接入，由7部分單板構(gòu)成，其中有進(jìn)口元器件和國(guó)產(chǎn)元器件。各個(gè)元器件的可靠性參數(shù)如表1所示。

表1 某通訊產(chǎn)品各個(gè)元器件可靠性參數(shù)

1)概念建模

這里主要是分析基本可靠性指標(biāo)——平均故障間隔時(shí)間(Mean Time Between Failure，MTBF)，因此，選用串聯(lián)模型作為該產(chǎn)品的可靠性模型，如圖5所示。為了進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行仿真模型的有效性驗(yàn)證，需要采用基本可靠性仿真方案。

圖5 某通訊產(chǎn)品的可靠性框圖

2)仿真建模

根據(jù)所建立的基于Agent的系統(tǒng)可靠性仿真建模框架及仿真模型原理，同時(shí)結(jié)合Anylogic的原理，對(duì)3類Agent進(jìn)行設(shè)計(jì)，其仿真模型如圖6-8所示。

3)仿真實(shí)驗(yàn)

關(guān)于仿真模型的校核與驗(yàn)證的方法，不存在一個(gè)完全有效的模型，可以徹底地表征被仿真實(shí)際系統(tǒng)的所有特征和功能。對(duì)于本文提出的模型與方法，目前，還沒有裝備壽命周期某階段可供模型與方法驗(yàn)證的數(shù)據(jù);因此，本文以文獻(xiàn)［2］中提供的某通訊產(chǎn)品為示例，說明如何應(yīng)用本文所建立的仿真模型與方法進(jìn)行分析，并與其數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而說明本文所建立的仿真模型的有效性，即主要采用描述有效性方法來(lái)對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

經(jīng)過仿真分析，在12 681 952.559 067 3仿真小時(shí)時(shí)，產(chǎn)生了第246次系統(tǒng)故障，因此，可以得出仿真分析的MTBF為51 552.65 h。該產(chǎn)品經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)使用統(tǒng)計(jì)，MTBF為4.5萬(wàn)小時(shí)，基本接近仿真分析的預(yù)計(jì)結(jié)果。按美國(guó)通常說法:“預(yù)計(jì)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)使用統(tǒng)計(jì)結(jié)果相比在0.8～2倍之內(nèi)，就是相當(dāng)準(zhǔn)確”。［2］由此可見，本論文提出的基于 Agent仿真的系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)方法準(zhǔn)確有效。

4 結(jié)論

本文提出了基于Agent仿真的系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)模型與方法，結(jié)果表明其具有一定正確性和有效性。若要徹底地驗(yàn)證本文所建立的模型與方法能夠適用于裝備壽命周期各階段，則需要有大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為模型驗(yàn)證的支撐;因此，應(yīng)該注重加強(qiáng)先驗(yàn)數(shù)據(jù)與知識(shí)的積累，不斷地增強(qiáng)仿真數(shù)據(jù)的可信度，從而提高各階段可靠性預(yù)計(jì)水平的準(zhǔn)確性，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備系統(tǒng)面向任務(wù)環(huán)境的動(dòng)態(tài)可靠性行為的模擬和分析。

圖6 自適應(yīng)Agent的仿真模型

圖7 系統(tǒng)仿真Agent的仿真模型

圖8 環(huán)境仿真Agent的仿真模型

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