基于AltaRica 的故障自動(dòng)化建模和分析*

吳夢杰 朱 兵 李 震 李 陽

（1.江蘇科技大學(xué)電信學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）（2.上海船舶設(shè)計(jì)研究院 上海 201203）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)與軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)故障導(dǎo)致的安全性事故后果越來越嚴(yán)重，系統(tǒng)的安全性問題受到了高度重視，系統(tǒng)安全性建模和分析技術(shù)在關(guān)鍵安全系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［1］。

AltaRica 語言是一門面向故障邏輯的建模語言，具有面向?qū)ο蟮目蓮?fù)用的特點(diǎn)，采用AltaRica模型可以真實(shí)反應(yīng)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制。因此，國內(nèi)外學(xué)者對其做了大量深入的研究，文獻(xiàn)［2］主要介紹了基于AltaRica 的系統(tǒng)安全性評估方法，文中詳細(xì)介紹了AltaRica 的語法結(jié)構(gòu)和建模過程，體現(xiàn)了AltaRica 數(shù)據(jù)流在不犧牲評估算法效率的情況下能夠顯著提高模型設(shè)計(jì)功能的特點(diǎn)。文獻(xiàn)［3］介紹了如何使用AltaRica語言及相關(guān)工具對電氣和液壓系統(tǒng)建模并分析。文獻(xiàn)［4］介紹了AltaRica的關(guān)鍵，即衛(wèi)士轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（Guarded Transition System，GTS），文中描述了從GTS 模型轉(zhuǎn)換為故障樹的過程。可由GTS模型生成相應(yīng)的故障樹，也就是由狀態(tài)/轉(zhuǎn)換模型轉(zhuǎn)換為一組布爾公式，從而利用故障分析工具進(jìn)行相關(guān)的安全性驗(yàn)證工作。AltaRica 自誕生以來一直在發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展到第三個(gè)版本AltaRica3.0。文獻(xiàn)［5］詳細(xì)描述了AltaRica3.0 的新特性，與前兩個(gè)版本的區(qū)別，以及AltaRica 的語法。關(guān)于AltaRica 模型向其它模型轉(zhuǎn)換，文獻(xiàn)［6］詳細(xì)介紹了AltaRica 數(shù)據(jù)流模型向NuSMV 模型的轉(zhuǎn)換，并且給出了詳細(xì)的形式化證明。

但是AltaRica 代碼缺乏結(jié)構(gòu)層次，還不能直觀地展示系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，以及功能和故障在系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)上的連接和傳播。計(jì)算機(jī)可視化建模技術(shù)可以很好地克服這一缺點(diǎn)，使用戶可以方便通過計(jì)算機(jī)界面對系統(tǒng)進(jìn)行可視化的圖形建模，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述清楚，系統(tǒng)建模過程展示清晰，系統(tǒng)建模和系統(tǒng)分析過程合二為一，方便模型和安全性分析的修改和維護(hù)，提高安全性工作的效率。

基于以上內(nèi)容，文章將AltaRica 語言與計(jì)算機(jī)可視化建模技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了支持AltaRica 語言的可視化建模工具原型，并基于此工具原型開展系統(tǒng)安全性建模和分析工作。

2 基本理論

AltaRica 模型屬于故障邏輯模型，它是對故障的傳播和轉(zhuǎn)移邏輯進(jìn)行建模。文章首先介紹故障邏輯建模方法和AltaRica 語言的基本概念，然后介紹基于AltaRica 模型生成故障樹的方法，最后介紹了故障樹自動(dòng)生成算法。

FPTN［7］是一種故障邏輯的圖形化表示方法（graphical notation），雖然它是一種非形式化方法，但它使用圖形化的語言直觀、清楚地描述了組件或系統(tǒng)的故障邏輯，本文將這種圖形化方法簡化（刪除其中不具有通用意義的特征，如關(guān)鍵度、異常處理），形成如圖1所示的簡化FPTN圖。

圖1 簡化的FPTN 圖

FPTN左側(cè)箭頭所示變量表示模塊的輸入故障模式（故障MF 和SF），圖右側(cè)的箭頭表示模塊的輸出故障模式（故障PF）。

3 基于AltaRica 模型的故障樹生成方法

AltaRica 模型能夠全面描述系統(tǒng)故障邏輯信息［9］，而故障樹是對系統(tǒng)故障邏輯的分析結(jié)果［10］。因此，在明確AltaRica 與故障樹轉(zhuǎn)化方法前，應(yīng)首先確定兩種模型對應(yīng)的故障邏輯，然后基于同一故障邏輯比較兩種模型的對應(yīng)關(guān)系，從而確定兩種模型的轉(zhuǎn)化方法。

文章首先使用簡化FPTN 圖建立起故障邏輯，再說明AltaRica 數(shù)據(jù)流語言對該故障邏輯的描述方式以及依據(jù)該故障邏輯人工形成的故障樹，最后將AltaRica 代碼與人工繪制的故障樹進(jìn)行比較，進(jìn)而明確針對同一故障邏輯，AltaRica 語言模型與故障樹的轉(zhuǎn)化關(guān)系［11］。底層組件是指在建模過程中不能進(jìn)一步分解的組件，它是構(gòu)成系統(tǒng)的最底層的單元。以圖1為例，組件M1輸入故障模式為MF和SF（為簡化描述，本文故障模式僅包含正常和失效兩種取值）［12］，輸出故障模式為 PF。當(dāng)MF 和SF 故障模式任一發(fā)生時(shí)（即MF、SF 取值為F），組件M1會輸出故障PF。

在社會生活中音樂的發(fā)展離不開對各種民族文化的基礎(chǔ)和發(fā)揚(yáng)，音樂文化更是民族文化的一個(gè)重要組成部分，在初中教學(xué)中進(jìn)行對學(xué)生的音樂教育，就是需要結(jié)合民族文化進(jìn)行教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行對民族文化的學(xué)習(xí)和教育，實(shí)現(xiàn)民族文化的傳承。

圖2 FPTN故障邏輯圖

1）AltaRica代碼［13］描述

從上述代碼可以看出，AltaRica 代碼的flow 分句描述了M1 的輸入故障模式和輸出故障模式，描述方式為：“故障模式變量名稱：變量類型：流向”，Assert 分句描述了輸出故障模式與輸入故障間的故障轉(zhuǎn)化關(guān)系。

2）故障樹

選取PF.failed 作為頂事件，該組件故障邏輯可以轉(zhuǎn)化為如圖3所示的故障樹。

從圖3 中可以看出，故障樹的底事件是由輸入故障和（或）組件自身故障形成的。

3）Altarica組件節(jié)點(diǎn)的故障樹生成方法

比較Altarica 代碼與圖2 可以發(fā)現(xiàn)，故障樹頂事件是由flow 分句中輸出變量決定的，底事件是由輸入變量決定的，邏輯門關(guān)系是由assert 分句來描述的。由組件節(jié)點(diǎn)生成故障樹的步驟如下。

圖3 故障邏輯關(guān)系

（1）設(shè)定頂事件。底層組件故障樹頂事件是由組件節(jié)點(diǎn)flow 語句中的輸出變量決定的，任一輸出故障模式變量取異常值即可形成一個(gè)故障樹頂事件。

（2）確定頂事件對應(yīng)的底事件。對于底層組件，flow 分句中的輸入變量取異常值即構(gòu)成了故障樹的底事件。依據(jù)Assert 分句中與頂事件相關(guān)的斷言，可以確定與頂事件相關(guān)的底事件。

（3）確定邏輯門關(guān)系。頂事件與底事件的邏輯門關(guān)系是由assert 分句來描述的，其中，與門、或門以及表決門分別對應(yīng)and、or 邏輯連接詞以及rn（）短語。

4 故障樹自動(dòng)生成算法

文章以上述內(nèi)容為基礎(chǔ)，提出了基于AltaRica的故障樹自動(dòng)生成算法，主要由兩個(gè)步驟組成。

1）掃描斷言字符串，切割和記錄字符，并記錄下各個(gè)字符的括號深度，添加到AssertionNode 數(shù)組，由 CAltaRicaAnalyser：：MakeAssertionToAssertionArray（）實(shí)現(xiàn)；

2）掃描AssertionNode 數(shù)組，根據(jù)括號深度，遞歸生成故障樹各個(gè)節(jié)點(diǎn)的前后位置關(guān)系，用于繪制故障樹，由 CAltaRicaAnalyser：：MakeAssertionArrayToFaultTree（CArray &NodeArray，int prePositon）實(shí)現(xiàn)。

以上兩個(gè)步驟的具體算法描述，如下所示。

步驟1 MakeAssertionToAssertionArray（），算法描述如下所示。

第1 步：將斷言賦值到字符數(shù)組，level 用于計(jì)算深度，strTemp 用于記錄有效字符串，開始掃描，直至掃描結(jié)束；

第2 步：如果掃描到左括號，level++；如果掃描到右括號，level--；轉(zhuǎn)第3步；

第3 步：如果當(dāng)前掃描到的字符為左右括號、空格、或者字符串的結(jié)束記號，當(dāng)strTemp 不為空時(shí)，如果為右括號，level++，如果為左括號，level--，并連同strTemp 記錄到AssertionNode 類型的node中，同時(shí)清空strTemp，將node 添加到AssertionNodeArray 數(shù)組中，用于步驟2；若當(dāng)前掃描的不是左右括號、空格、或者字符串的結(jié)束記號，則轉(zhuǎn)第4步；

第4 步：如果掃描的是其他有效字符，則插入到strTemp中，轉(zhuǎn)第1步，繼續(xù)掃描。

步驟2：MakeAssertionArrayToFaultTree（CArray & NodeArray，int prePositon），算法描述如下所示：

第1 步：獲取NodeArray 中括號最小深度的位置，同時(shí)將NodeArray切割成左右兩個(gè)子數(shù)組；

第2 步：如果左側(cè)的子數(shù)組只有一個(gè)元素，則記錄該元素的前驅(qū)位置，并添加到AssertionNode-TreeArray 中；如果左側(cè)的子數(shù)組超過一個(gè)元素，則遞歸MakeAssertionArrayToFaultTree 處理左側(cè)的子數(shù)組；

第3 步：如果右側(cè)的子數(shù)組只有一個(gè)元素，則記錄該元素的前驅(qū)位置，并添加到AssertionNode-TreeArray 中；如果右側(cè)的子數(shù)組超過一個(gè)元素，則遞歸MakeAssertionArrayToFaultTree 處理右側(cè)的子數(shù)組；

第4 步：直至遞歸結(jié)束，生成完整的Assertion-NodeTreeArray數(shù)組，用于繪制故障樹。

5 實(shí)例驗(yàn)證

文章對AltaRica 語言的故障建模和分析進(jìn)行了研究，并在 VC++環(huán)境下基于 ToolKit［14］開發(fā)了友好的人機(jī)交互界面，基于AddFlow［15］開發(fā)了自動(dòng)化拖放式建模環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了基于AltaRica 語言的系統(tǒng)安全性建模和分析工具原型-SSMA。

文章以船用發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障（PF）為例，引起其故障的原因主要有兩種，一種是機(jī)械故障（MF），另一種是停車保護(hù)發(fā)生的故障（SF）。MF 的故障原因有三種：原動(dòng)機(jī)故障（PM）、調(diào)速器故障（GF）和傳動(dòng)器故障（DF）。對SSMA 的建模和分析的過程主要包括以下幾個(gè)步驟。

第一步：新建并聯(lián)故障（PF）的故障樹，如圖4所示。

圖4 PF故障樹

第二步：新建MF故障樹，如圖5所示。

圖5 MF故障樹

第三步：將MF 故障樹嵌套進(jìn)PF 故障樹中，如圖6所示。

圖6 MF-PF嵌套故障樹

6 結(jié)語

首先將故障邏輯圖3 中的輸出故障PF 作為頂事件，并依據(jù)圖3 中所示的故障邏輯關(guān)系建立故障樹。同時(shí)，對引起頂事件故障樹的中間事件進(jìn)行故障分析，建立中間事件故障樹。最后將中間事件的故障樹嵌套進(jìn)上一層故障樹中，建立系統(tǒng)故障樹。這說明了文章提出的基于AltaRica 的自動(dòng)化建模、分析和故障樹自動(dòng)生成算法的正確性，同時(shí)工具原型具有良好的可操作性。