基于自適應Agent仿真的系統可靠性預計方法

申 瑩，曹軍海，吳 緯，范海龍，魏小軍

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

傳統的可靠性預計模型以系統可靠性預計方程為主要形式，這種方法適于預計復雜度不高的系統，且主要適用于對系統固有可靠性水平的預計。對于具有復雜任務剖面或者具有多種工況模式的復雜產品，采用傳統方法較難預測其在環境動態變化影響下的實際可靠性水平，而基于仿真的可靠性預計方法則能較好地解決這一問題［1-4］。無論處在研制的哪個階段，都可以運用仿真方法開展預計工作，且其執行預計的難度和計算復雜度不會隨著系統復雜性的提高而呈指數增長，其預測的精確度主要與所提供的可靠性數據的準確性有關。本文研究了基于Agent仿真的裝備系統可靠性預計模型和方法，旨在促進裝備系統可靠性預計的有效開展。

1 基于自適應Agent的系統可靠性仿真建模框架

1.1 系統體系結構模型

根據系統可靠性仿真需求，基于自適應Agent的裝備系統可靠性仿真圍繞任務過程、環境變化影響、系統使用過程和系統單元可靠性行為4個主要功能而設計，其體系結構模型如圖1所示。

1.2 Agent關系模型

在該體系結構中，總共設計了3類Agent對象，包括環境仿真 Agent、系統仿真Agent和單元仿真Agent。這3類Agent對象構成了基于自適應Agent的裝備系統仿真模型的3層體系結構。

圖1 基于自適應Agent的系統可靠性仿真的系統體系結構模型

第1層次:環境仿真層次。每個系統仿真模型中，只包含一個環境仿真Agent，主要解決對特定任務剖面、環境影響因素的變化過程的模擬。

第2層次:系統仿真層次。由系統仿真Agent組成，系統仿真Agent是代表仿真模型分析和研究的復雜系統對象，一個模型中可以包含多個系統仿真Agent。

第3層次:單元仿真層次。由自適應Agent組成的工作單元層，是體系結構中的最基本單元，它表現為由自適應Agent組成的動態組織，模擬最基本的功能單元，如零部件、元器件等。這些Agent之間通過可靠性關系通道(Reliability Relation Channel，RRC)，根據環境的變化進行動態連接，以表達不同任務階段系統可靠性模型的動態變化。

3個層次中的Agent之間主要通過消息的傳遞來建立相互關系，并形成動態的組織結構，共同模擬復雜系統在特定環境下的可靠性行為。

3類Agent之間存在多種關系，如圖2所示。

1.3 消息傳遞模型

Agent之間的協商、合作、控制和影響操作均通過消息傳遞來實現。3種類型Agent之間的消息傳遞模型如圖3所示。Agent之間的通訊通過標準A-gent通訊語言(Agent Communication Language，ACL)來進行。

圖2 基于自適應Agent的系統可靠性仿真Agent關系模型

圖3 基于自適應Agent的系統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，環境仿真Agent會通知系統任務開始(消息1)，系統接到消息后會馬上通知所屬各個單元開始工作(消息2);在任務啟動后的仿真過程中，環境仿真Agent會根據任務階段及環境的變化，適時通知系統任務階段及環境影響因子發生變化(消息3)，系統則通知所屬單元更新環境影響因子并調整可靠性關系(消息4);在執行任務的過程中，單元會在自身發生故障事件時，通知系統自身發生故障(消息5)，系統則通知環境仿真Agent系統發生故障(消息6)，并等候指令，在這種情況下，環境仿真Agent將根據仿真的設置，可以選擇以下2種響應模式。

模式1:環境仿真Agent通知系統停機維修(消息7)，系統通知單元進行維修(消息8);單元修復后，通知系統故障已經修復(消息9)，系統接到單元故障已經修復的消息后，通知環境仿真Agent系統已經修復(消息10)，系統可以工作，環境仿真Agent則命令系統恢復執行任務(消息11)，然后系統會通知各個單元恢復工作(消息12)。

模式2:環境仿真Agent通知系統停機(消息13)，系統則通知單元停止工作(消息14)，本次任務失敗退出。

如果仿真過程中系統沒有發生致命故障，則當該次任務執行完成后，環境仿真Agent也會通知系統停機等待下次任務(消息13)，系統則通知單元停止工作(消息14)。

2 基于自適應Agent的系統可靠性預計模型與方法

采用自適應Agent仿真模型對于可靠性仿真預計工作來說，能夠有效降低仿真建模的復雜度，而且能夠方便地面向任務考慮環境等影響因素對系統可靠性的影響，這種方法既適用于系統基本可靠性指標的預計，也可以很好地進行系統任務可靠性指標的預計，稍作改進還可實現對系統在使用環境下的使用可用度及維修性指標等的預計和分析;因此是一種更為有效、實用的裝備系統可靠性仿真預計方法。在采用基于Agent的仿真方法進行系統可靠性指標預計時，其工作流程(圖4)分為3個階段。

圖4 基于自適應Agent仿真的系統可靠性預計工作流程

階段1:概念建模。該階段的主要工作包括:

1)進行系統任務剖面、壽命剖面、使用環境和條件、系統功能等分析工作;

2)建立系統可靠性模型(可靠性框圖);

3)進行零部件的可靠性指標分析及預計等。

該階段工作的主要輸出包括:

1)系統任務剖面模型/壽命剖面模型;

2)系統功能框圖;

3)系統可靠性框圖;

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:依據本文提出的基于自適應Agent的系統可靠性仿真建?？蚣?FARSiM)，開展自適應Agent、系統仿真Agent和環境仿真Agent的設計，并進行模型綜合，建立系統可靠性仿真模型。由于多Agent仿真技術具有代碼可重用性很高的特點，該階段的工作完全可以利用本文開發并提供的基于自適應Agent的系統可靠性仿真模型，對其中Agent進行簡單改進，既可以應用于所需領域的可靠性仿真預計工作，又可以節省工作量和工作難度。

階段3:仿真實驗。該階段的主要工作包括:

1)仿真實驗設計;

2)系統可靠性仿真實驗;

3)仿真數據分析;

4)仿真報告輸出等。

該階段的工作具有2個特點:

1)仿真實驗的設計應根據仿真的復雜度、仿真時長等因素，考慮采取單系統多次迭代實驗和多系統一次實驗等方案;

2)仿真實驗過程通常會與仿真模型的改進相結合進行，開始可先通過初步實驗檢查仿真模型的有效性，并根據問題修正仿真模型，經多次修正之后，再進行正式的仿真實驗并采樣用于分析的數據。

另外，階段3對仿真數據的分析，還應注意采用相似系統真實數據進行對比分析，保證數據的可信性和有效性。

3 示例分析

以某通訊產品為例，其功能為通訊信號接入，由7部分單板構成，其中有進口元器件和國產元器件。各個元器件的可靠性參數如表1所示。

表1 某通訊產品各個元器件可靠性參數

1)概念建模

這里主要是分析基本可靠性指標——平均故障間隔時間(Mean Time Between Failure，MTBF)，因此，選用串聯模型作為該產品的可靠性模型，如圖5所示。為了進行對比分析，進行仿真模型的有效性驗證，需要采用基本可靠性仿真方案。

圖5 某通訊產品的可靠性框圖

2)仿真建模

根據所建立的基于Agent的系統可靠性仿真建?？蚣芗胺抡婺Ｐ驮?，同時結合Anylogic的原理，對3類Agent進行設計，其仿真模型如圖6-8所示。

3)仿真實驗

關于仿真模型的校核與驗證的方法，不存在一個完全有效的模型，可以徹底地表征被仿真實際系統的所有特征和功能。對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證的數據;因此，本文以文獻［2］中提供的某通訊產品為示例，說明如何應用本文所建立的仿真模型與方法進行分析，并與其數據進行對比，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對仿真模型進行驗證。

經過仿真分析，在12 681 952.559 067 3仿真小時時，產生了第246次系統故障，因此，可以得出仿真分析的MTBF為51 552.65 h。該產品經過現場使用統計，MTBF為4.5萬小時，基本接近仿真分析的預計結果。按美國通常說法:“預計結果與現場使用統計結果相比在0.8～2倍之內，就是相當準確”。［2］由此可見，本論文提出的基于 Agent仿真的系統可靠性預計方法準確有效。

4 結論

本文提出了基于Agent仿真的系統可靠性預計模型與方法，結果表明其具有一定正確性和有效性。若要徹底地驗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數據作為模型驗證的支撐;因此，應該注重加強先驗數據與知識的積累，不斷地增強仿真數據的可信度，從而提高各階段可靠性預計水平的準確性，真正實現對裝備系統面向任務環境的動態可靠性行為的模擬和分析。

圖6 自適應Agent的仿真模型

圖7 系統仿真Agent的仿真模型

圖8 環境仿真Agent的仿真模型

［1］ Blanks H S.Quality and Reliability Research into the Next Century［J］.Quality and Reliability Engineering International，1994，10(3):179-184.

［2］ Patrick D T，Connoer O.Quantifying Uncertainty in Reliability and Safety Studies Microelectronics and Reliability［J］.Quality and Reliability Engineering International，1995，35(9/10):1374-1356.

［3］ PCoit D W.Sytem Reliability rediction Prioritization Strategy［C］∥2000 Proceedings Annual Reliability and Maintainability Symposium.2000:175-180.

［4］ Johnson B J，Gulb L.Improvement in Reliability Assessment and Prediction Methodology［C］∥2000 Proceedings Annual Reliability and Maintainability Symposium.2000:181-187.