系统故障检测及可靠性课程设计--水下机器人软件可靠性及故障诊断方法研究

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1、 系系 统统 故故 障障 检检 测测 及及 可可 靠靠 性性 课课 程程 设设 计（论文）计（论文） 学 院 专 业 学生姓名 班级学号 水下机器人软件可靠性及故障诊断方法研究水下机器人软件可靠性及故障诊断方法研究 摘要：摘要： 针对于智能水下机器人在软件系统故障诊断过程中广泛存在的不确定性和 复杂关联性，采用改进的软件 FMEA 方法，对 AUV 智能规划决策控制系统进行 了可靠性分析和研究，在总结了 AUV 主要软件故障模式的基础上，提出了一种 基于 FMEA 的三层贝叶斯网络诊断模型。通过贝叶斯网络的推理机制，分别对 单一故障和复合故障进行了推理实验。实验结果表明，采用上述方法能有效地提

2、 高水下机器人系统软件可靠性以及故障诊断能力。 关键词：关键词：智能水下机器人；软件可靠性；失效模式影响分析；故障诊断 1 前言前言 智能水下机器人(AUV)由于工作环境的复杂性、外界因素的未知多变性，使得 任何细微的故障都有可能产生灾难性的后果，所造成的经济损失将无法估量，因 此如何提高系统可靠性及故障诊断能力已成为 AUV 研究领域的重要课题。然而， 相对于水下机器人硬件可靠性的研究，软件可靠性还没有得到足够的重视 1。针 对国内在水下机器人软件可靠性研究方面还没有深入展开的现状， 本文结合水下 机器人软件系统的特点，运用改进的 FMEA 技术，给出了实际可行的水下机器人 软件可靠性分析及

3、评估方案，总结了 AUV 的主要软件故障模式，并在此基础上， 建立了基于 FMEA 的贝叶斯诊断网络。实验表明，本文方案能有效地提高水下机 器人软件系统可靠性及故障诊断的准确性， 对水下机器人可靠性技术的发展起到 了一定的推动作用。 2 基于基于 FMEA 的的 AUV 可靠性分析可靠性分析 失效模式影响分析(Failure Mode and Effects Analysis, FMEA)是一种传统的 系统可靠性、安全性分析方法 2。根据 FMEA 的基本原理及方法要求，本文给出 了水下机器人智能决策系统软件的 FMEA 实施步骤：(1)确定描述分析对象；(2) 确定潜在的失效模式；(3)描述

4、失效的影响；(4)确定原因；(5)风险评估。 本文分析对象为 AUV 智能决策系统软件模块， 该系统主要包括 6 大功能模块： (1)全局路径规划模块；(2)局部路径规划模块；(3)紧急情况处理模块；(4)通讯 模块；(5)目标搜索模块；(6)任务下达模块。以路径规划模块为例，其 FMEA 表 如表 1 所示。 表表 1 路径规划模块路径规划模块 FMEA 表表 模块名称 故障模式 主要故障原因 故障影响 全局路径 规划模块 （1） 全局路径规划不合理 （1）环境建模不合理或失效 （2）全局路径搜索模块失效 （3）地图文件读写错误 （1）航迹 （2）航速 （3）状态参数异常 （2） 无法规划出

5、全局路径 路径局部 规划模块 （1）碰到障碍物 （1）控制规则表创建失效 （2）避障函数失效 （3）向目标点前进 （4）写入目标文件出错 （1）航迹 （2）航速 （3）状态参数异常 （4）碰到障碍物 （5） 无法从文件获取数据 （2） 无法规划出局部路径 （3）文件读写不同步 （1）全局数据库不一致 （2）日志文件出错 3 改进的改进的 FMEA 风险评估方法风险评估方法 3.1 传统传统 FMEA 的局限性的局限性 传统 FMEA 风险评估过程如图 1 所示 3，其主要是通过计算风险顺序数 RPN(Risk Priority Number)来评估产品或系统的风险等级。 RPN 是 FMEA

6、分析中的一个最重要的评价指标，它反映了某项潜在失效模式发 生风险性及其危害性。传统 FMEA 中 RPN 是发生率 O、严重度 S 和难检度 D 三者 的乘积。 由于不同的 O、 S、 D 相乘可以得到相同的 RPN 值， 而 RPN 值相同情况下， 各种失效模式对于系统的风险作用却不相同 4，因此，仅以 RPN 来判断各种失效 模式的风险顺序明显存在着不足。另外，传统 FMEA 又很难对主观或定性的描述 语言变量做出准确判断，这也极大地限制了 FMEA 的使用效果。 确定严 重度S 确定频 度O 确定探 测度D 确定风险 排序RPN 风险评 估 图图 1 风险评估过程图风险评估过程图 基于传统 FMEA 的局限性，本文从改进风险顺序数 RPN 确定方法的角度出发， 研究了基于模糊集理论和灰色关联理论的 FMEA 方法 5，试图在水下机器人软件 系统中对风险进行定量评估，使风险的评估更加接近实际情况。 表表 2 模糊语言术语的清晰化模糊语言术语的