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  • 可靠性计算python库

    万次阅读 2021-02-07 13:40:04
    这里的可靠性Reliability指的是工程领域中的硬件可靠性,而非软件可靠性可靠性的相关计算需要经验积累,针对性强的相关开源软件是比较少的。以下是我在github上找到的两个可靠性计算python包。

    这里的可靠性Reliability指的是工程领域中的硬件可靠性,而非软件可靠性。可靠性的相关计算需要经验积累,针对性强的相关开源软件是比较少的。以下是我在github上找到的两个可靠性计算python包。

    可靠性简介

    定义:可靠性是系统在规定的环境下和规定的时间内,完成规定的功能的能力。

    • MTBF:平均故障间隔时间
    • MTTF:平均故障前时间

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    • 参考:《系统工程与分析》(第5版)【美】Benjamin S. Blanchard 等著

    可靠性计算python库

    reliability

    6

    github仓库链接:MatthewReid854/reliability

    实现的主要功能:

    • 拟合包含右删失的数据的概率分布
    • 拟合Weibull混合模型和Weibull竞争风险模型
    • 计算应力强度干涉下的失效概率
    • 支持指数,Weibull,Gamma,Gumbel,正态,对数正态,对数和Beta概率分布
    • 平均剩余寿命,分位数,描述性统计摘要,分布随机抽样
    • 概率密度函数(PDF),累积分布函数(CDF),生存函数(SF),危害函数(HF)和累积危害函数(CHF)的作图
    • 轻松创建概率分布对象,Eg. dist = Weibull_Distribution(alpha=4,beta=2)
    • 使用Kaplan-Meier,Nelson-Aalen和Rank Adjustment对生存函数进行非参数估计
    • 可靠性增长,最佳更换时间,顺序采样图,类似分布,可靠性测试规划器
    • 失效物理(SN图,应力应变,断裂力学,蠕变)
    • 加速寿命测试概率图(Weibull, Exponential, Normal, Lognormal)
    • 加速寿命测试模型 (Exponential, Eyring, Power, Dual-Exponential, Power-Exponential)
    • 可修复系统的平均累积函数和ROCOF

    pyre

    github仓库链接:hackl/pyre

    实现的主要功能:

    • 使用各种可靠性方法执行可靠性分析
    • 包括大量文档丰富的统计分布
    • 尽可能将NumPy用于数字计算
    • No limitation on the limit state function
    • Correlation between the random variables are possible
    • Traces can be saved to the disk as plain text.
    • PyRe可以嵌入更大的程序中,并且可以使用Python的全部功能来分析结果
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  • 系统可靠性

    千次阅读 2019-04-22 08:52:12
    内容主要为可靠性设计、系统的故障模型、系统的可靠性模型、组合模型可靠性计算、马尔柯夫模型可靠性计算,以及硬件冗余、信息校验码等方面;另外也涉及系统可靠性分析与计算、系统可靠性评估和系统配置方法等概念与...

    系统的可靠性分析与设计是系统架构设计师在系统分析与设计阶段、系统集成阶段应该重点考虑的问题。内容主要为可靠性设计、系统的故障模型、系统的可靠性模型、组合模型可靠性计算、马尔柯夫模型可靠性计算,以及硬件冗余、信息校验码等方面;另外也涉及系统可靠性分析与计算、系统可靠性评估和系统配置方法等概念与理论的实际工程运用等内容。

    可靠性相关的概念主要有:可靠度、可用度、可维度、平均无故障时间、平均故障修复时间及平均故障间隔时间等;
    (1)可靠度。系统的可靠度 R(t)是指在 t=0 时系统正常的条件下,系统在时间区间[0,t]
    内能正常运行的概率。
    (2)可用度。系统的可用度 A(t)是指系统在时刻 t 可运行的概率。
    (3)可维度。系统的可维度 M(t)是指系统失效后,在时间间隔内被修复的概率。
    (4)平均无故障时间。可靠度为 R(t)的系统平均无故障时间(Mean Time To Failure,
    MTTF)定义为从 t=0 时到故障发生时系统的持续运行时间的期望值:

    (5)平均故障修复时间。可用度为 A(t)的系统

    (6)平均故障间隔时间。平均故障间隔时间(Mean Time Between Failure, MTBF)常
    常与 MTTF 发生混淆。因为两次故障(失败)之间必然有修复行为,因此, MTBF 中应包
    含 MTTR。对于可靠度服从指数分布的系统,从任一时刻 t 0 到达故障的期望时间都是相等
    的,因此有:
    MTBF = MTTR + MTTF平均故障修复时间(Mean Time To Repair,
    MTTR)可以用类似于求 MTTF 的方法求得。

    故障来源:

    (1)失效:硬件的物理改变。
    (2)故障:由于部件的失效、环境的物理干扰、操作错误或不正确的设计引起的硬件
    或软件中的错误状态。
    (3)错误(差错):故障在程序或数据结构中的具体位置。
        永久性:描述连续稳定的失效、故障或错误。在硬件中,永久性失效反映了不可恢复的物理
    改变。
        间歇性:描述那些由于不稳定的硬件或变化着的硬件或软件状态所引起的、仅仅是偶然出现
    的故障或错误。
        瞬时性:描述那些由于暂时的环境条件而引起的故障或错误。

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  • 系统可靠性设计

    千次阅读 2019-10-26 14:14:47
    目录一:系统可靠性的定义及包含的4个子特性,并简要指出提高系统可靠性技术一般采用什么技术软件可靠性技术容错设计技术检错设计检错设计和容错技术的差异降低复杂度设计软件可靠性分析故障树分析方法失效模式与效应...

    一:系统可靠性的定义及包含的4个子特性,并简要指出提高系统可靠性技术一般采用什么技术

    系统可靠性定义:系统在规定的时间内及规定的环境条件下,完成规定功能的能力,就是系统无故障运行的概率。
    根据国家标准《软件工程 产品质量 第一部分:质量模型》(GB/T 16260.1-2006)的规定,系统可靠性的4个主要子特性

    1. 成熟性:指系统避免因错误的发生而导致失效的能力
    2. 容错性:在系统发生故障或违反指定接口的情况下,系统维持规定的性能级别的能力
    3. 易恢复性:系统发生失效的情况下,重建规定的性能级别并恢复受直接影响的数据的能力
    4. 依从性:系统依附于可靠性相关的标准、约定和规约的能力。

    通常,提高系统的可靠性采用冗余技术、软件容错技术、双机容错技术和集群技术4类技术

    软件可靠性技术

    容错设计技术

    对于软件失效后果特别严重的场合,如飞机的飞行控制系统可采用容错设计方法。常见的软件容错技术主要有恢复块设计N版本程序设计冗余设计

    1. 恢复块设计:选择一组操作作为容错设计单元,从而把普通的程序块变成恢复块。一个恢复块包含若干个功能相同、设计差异的程序块文本,每一时刻有一个文本处于运行状态。一旦该文本出现故障,则用备份文本加以替换,从而构成“动态冗余”。
    2. N版本程序设计:N版本的核心是通过设计出多个模块或不同版本,对于相同初始条件和相同输入的操作结果,实行多数表决,防止其中某一模块/版本的故障提供错误的服务,以实现软件容错。
    3. 冗余设计:冗余设计技术实现原理是在一套完整的软件系统之外,设计一种不同路径,不同算法或不同实现方法的模板或系统作为备份,在出现故障时可以使用冗余的部分进行替换,从而维持软件系统的正常运行。

    检错设计

     在软件系统中,对无需在线容错的地方或不能采用冗余设计技术的部分,如果可靠性要求较高,故障可能导致严重的后果。这时一般采用检错技术,在软件出现故障后能及时发现并报警,提醒维护人员进行处理。
     采用检测设计技术需要着重考虑几个要素:检测对象检测延时实现方式处理方式

    • 检测对象:即检测点和检测内容。在设计时应该考虑把检测点放在容易出错的地方和出错对软件系统影响较大的地方,检测内容选取那些有代表性的、易于判断的指标。
    • 检测延时:在软件检测设计时要充分考虑到检测延时,如果延时长到影响故障的及时报警,则需要更换检测对象或检测方式。
    • 实现方式:最直接的一种方式是判断返回结果,如果返回结果超出正常范围,则进行异常处理。计算运行时间也是一种常用的技术,如果某个模块或函数运行超过预期的时间,可以判断出现故障。另外还有置状态标志位等多种方法,自检的实现方式要根据实际情况来选用。
    • 处理方式:大多数检测采用“查出故障-停止软件系统运行-报警“的处理方式”,但也有采用不停止或部分停止软件系统运行的情况,这一般由故障是否需要实时处理来决定。

    检错设计和容错技术的差异

     检测技术实现的代价一般低于容错技术和冗余技术,但有一个明显的缺点,就是不能自动解决故障,出现故障后如果不进行人工干预,将最终导致软件系统不能正常运行。

    降低复杂度设计

     在保证实现软件功能的基础上,简化软件结构,缩短程序代码长度,优化软件数据流向,降低软件复杂度从而提高软件可靠性。

    软件可靠性分析

    在软件可靠性设计之前和软件可靠性设计过程中,都需要采用软件可靠性分析和预测方法,来确定当前系统中的主要可靠性因素和目标。常见的软件可靠性分析方法包括故障树分析(FTA)、==失效模式与效应分析(FMEA)==等

    故障树分析方法

     一种自顶向下的软件可靠性分析方法,即从软件系统不希望发生的事件(顶事件),特别是对人员和设备的安全及可靠性产生重大影响的事件开始,向下逐步追查导致顶事件发生的原因,直至基本事件(底事件)。从而确定软件故障原因的各种可能组合方式或发生概率。基本的步骤是软件故障树的建立、定性分析和定量分析

    失效模式与效应分析方法

     在软件的开发阶段的早期,通过识别软件失效模式,分析造成的后果。研究分析各种失效模式产生的原因,寻找消除和减少其有害后果的方法,以便尽早发现潜在的问题,采取相应的措施,从而提高软件的可靠性和安全性。SFMEA的分析对象,可以是开发早期阶段的高层次的子系统、部件,也可以是详细设计阶段的单元模块。对于不同的分析对象,其软件失效模式是不同的。采用的SFMEA分析方法也不同,前者采用系统分析方法(system FMEA),后者为详细分析方法(detailed FMEA)。其步骤是系统定义软件失效模式分析、软件失效原因分析、软件失效影响分析、改进措施分析

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  • 系统可靠性计算

    千次阅读 2019-04-27 17:32:05
    系统可靠性计算是软考考试的一个重点,近些年几乎每次考试都会考到,但这个知识点的难度不高,了解基本的运算公式,即可轻松应对。 可靠性计算主要涉及三种系统,即串联系统、并联系统和冗余系统,其中串联系统和...

    系统可靠性计算是软考考试的一个重点,近些年几乎每次考试都会考到,但这个知识点的难度不高,了解基本的运算公式,即可轻松应对。

    可靠性计算主要涉及三种系统,即串联系统、并联系统和冗余系统,其中串联系统和并联系统的可靠性计算都非常简单,只要了解其概念,公式很容易记住。冗余系统要复杂一些。在实际的考试当中,考得最多的就是串并混合系统的可靠性计算。所以要求我们对串联系统与并联系统的特点有基本的了解,对其计算公式能理解、运用。下面将对这些计算的原理及公式进行详细的说明。

    串联系统

    假设一个系统由n个子系统组成,当且仅当所有的子系统都能正常工作时,系统才能正常工作,这种系统称为串联系统。
    在这里插入图片描述

    设系统各个子系统的可靠性分别用R1R_1R2R_2,……,RnR_n表示,则系统的可靠性R=R1R_1×R2R_2×…×RnR_n

    如果系统的各个子系统的失效率分别用λ1\lambda_1λ2\lambda_2,……,λn\lambda_n来表示,则系统的失效率λ\lambda=λ1\lambda_1×λ2\lambda_2×…×λn\lambda_n

    并联系统

    假如一个系统由n个子系统组成,只要有一个子系统能够正常工作,系统就能正常工作,如下图所示。
    在这里插入图片描述
    设系统各个子系统的可靠性分别用R1R_1R2R_2,……,RnR_n表示,则系统的可靠性R=1-(1-R1R_1)×(1-R2R_2)×…×(1-RnR_n) 。

    假如所有子系统的失效率均为λ\lambda,则系统的失效率为μ\mu
    μ11λj=1N1j\mu=\frac{1}{\frac{1}{\lambda}\sum_{j=1}^N{\frac{1}{j}}}
    在并联系统中只有一个子系统是真正需要的,其余n-1个子系统都被称为冗余子系统。该系统随着冗余子系统数量的增加,其平均无故障时间也会增加。

    串并混合系统

    串并混合系统实际上就是对串联系统与并联系统的综合应用。我们在此以实例说明串并混合系统的可靠性如何计算。

    例1:某大型软件系统按功能可划分为2段P1和P2。为提高系统可靠性,软件应用单位设计了如下图给出的软件冗余容错结构,其中P1和P2均有一个与其完全相同的冗余备份。若P1的可靠度为0.9,P2的可靠度为0.9,则整个系统的可靠度是 。

    供选择的答案
      A. 0.6561
      B. 0.81
      C. 0.9801
      D. 0.9

    试题分析

    当系统采用串联方式时,其可靠度R可由公式R=R1R_1×R2R_2×…×RnR_n求得。当系统采用并联方式时,其可靠度R可由公式R=1-(1-R1R_1)×(1-R2R_2)×…×(1-RnR_n)求得。这个系统总的来说是串联,但分成两个并联部分。第一部分的可靠度为:R1=1-(1-0.9)(1-0.9)=0.99;第二部分的可靠度也为:R2=0.99;所以整个系统的可靠度为:R=R1R2=0.9801 ,C答案。

    试题答案:C

    上面的例题是属于常规形式的可靠性计算题,如果把这种试题再拨高一个层次,可以。
    例2:1台服务器、3台客户机和2台打印机构成了一个局域网(如图4所示)。在该系统中,服务器根据某台客户机的请求,数据在一台打印机上输出。设服务器、各客户机及各打印机的可靠度分别为a、b、c,则该系统的可靠度为 。

    A.ab3b^3c3c^3
    B.a(1-b3b^3)(1-c2c^2)
    C.a(1b)3(1-b)^3(lc)2(l-c)^2
    D.a(1-(1b)3(1-b)^3)(1-(lc)2(l-c)^2)

    例题分析:在试题给出的系统中,客户机之间是并联的(任何一台客户机出现故障,对其他客户机没有影响),同理,打印机之间是也并联关系。然后,客户机、服务器、打印机之间再组成一个串联关系。因此,我们可以把该系统简化为:已知服务器、各客户机及各打印机的可用性分别为a、b、c,因此整个系统的可用性为:R=a(1-(1b)3(1-b)^3)(1-(lc)2(l-c)^2)

    例题答案:D

    模冗余系统

    m模冗余系统由m个(m=2n+1为奇数)相同的子系统和一个表决器组成,经过表决器表决后,m个子系统中占多数相同结果的输出可作为系统的输出。
    在这里插入图片描述
    在m个子系统中,只有n+1个n+1个以上的子系统能正常工作,系统就能正常工作并输出正确结果。假设表决器是完全可靠的,每个子系统的可靠性为R0R_0,则m模冗余系统的可靠性为:
    R=i=n+1N[jN]R0i(1R0)NiR=\sum_{i=n+1}^N{ \left[ \begin{matrix} j \\ N \end{matrix} \right] * R^i_0(1-R_0)^{N-i}}

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