基于多值决策图的物联网可信性评估与优化

【摘要】：作为近些年科技发展的热点,物联网已经在智能家居、智能交通、食品农业等方面得到广泛的发展。各种多功能动态部件越来越多地出现在人类的社会生活中。物联网将逐渐成为人与社会生活中的任何物品之间连接的枢纽,其可信性的高低将会对社会生活及生产发展都产生重要影响。物联网系统可信性是度量物联网系统在指定工作环境和工作时间内,物联网能否正常工作的重要指标,即无论遇到任何已考虑到的各种环境,都能够保证网络连通和系统稳定,对系统服务进程的协调,完成数据的辨认、采集、传输、分析,进而实现对物品的智能管理。作为一个复杂的大型系统,系统可信性的研究对于物联网在未来的发展中的设计和实施具有重要的意义。在分析具有动态关联系统的故障模式方面,长久以来动态故障树理论被广泛应用。多值决策图理论对于离散多值的逻辑函数分析方面,是一种代表性的数据结构。长期以来,对于具有动态失效模式的复杂系统,通常动态故障树对其可信性的分析具有很有效的作用。同时为了提高在可信性分析中的效率,提出了各种模块化方法,但对于现实情况中,部件间具有相关性的大型动态子树,应用模块化方法导致的状态空间爆炸问题显得尤为突出。针对大型而复杂的物联网,本文基于多值决策图(Multiple-valued Decision Diagrams,MDD)的动态故障树(Dynamic Fault Trees,DFT)的分析方法,在系统设计、实施及维护优化阶段对系统可信性的分析计算具有重要的意义。针对物联网可信性,本文的主要工作包含如下内容:(1)从物联网整体构造出发,考虑系统各层子结构与部件结构功能,引入物联网可信性综合评价体系,阐述了在物联网可信性分析过程中可能遇到的相关问题及其特性。在描述大型容错系统的失效模式方面,动态故障树通常具有很好的效果。为适应当前日益复杂化、大型化的物联网系统,进而引出基于多值决策图的动态故障树分析方法针对其可信性进行分析。该方法引入动态逻辑门描述了部件及系统间的影响关系,利用多值变量对动态门进行编码,进而可以刻画出整个系统的各种动态和静态失效行为。结果获得的系统MDD简练且形象地刻画了系统的故障模式。并以实际动态故障树为例进行验证,对得到的MDD进行失效率的计算,评估其可信性。通过实现结果可以看出,同为大型容错系统的物联网系统,该方法具有很好的应用价值。(2)结合物联网结构,从系统各部件节点出发,介绍了物联网故障中常见情况。考虑物联网网络传输边和节点的可信性,分析了基于通信故障、终端设备故障的物联网网络节点的传输路径故障。针对某时刻下系统部件处于某状态的概率,基于马尔科夫方法进行了分析计算。并以物联网系统中可信性较高的网络计算系统为例,应用基于多值决策图的动态故障树方法,生成系统MDD,紧凑形象地描述了系统的失效模式。结合使用事件组合方法与状态空间方法,使得系统状态空间的规模大大减小。面对物联网系统日渐大型化复杂化,基于该方法的可信性研究对物联网系统的设计、管理维护及优化具有一定的参考价值。