多態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性分析及維修策略研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著系統(tǒng)日益大型化、復(fù)雜化、精密化以及對(duì)系統(tǒng)失效機(jī)理和失效規(guī)律的不斷深入研究，人們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)及其構(gòu)成單元的失效過(guò)程往往呈現(xiàn)出多種不同的狀態(tài)特征。這些系統(tǒng)和單元顯然不能簡(jiǎn)單用成功和失效兩種狀態(tài)來(lái)劃分，與其相關(guān)的可靠性、維修性等問(wèn)題也不能用傳統(tǒng)的二態(tài)理論來(lái)解決。這就迫使人們開(kāi)展多態(tài)系統(tǒng)(Multi-StateSystem，MSS)MSS可靠性理論的分析研究，以解決復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析中存在的諸多問(wèn)題。多態(tài)可靠性理論既能揭示復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)演

2、變的本質(zhì)特征，也能定性和定量評(píng)估系統(tǒng)可靠性方面的性能，已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。
　　本論文針對(duì)多態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)可靠性理論中若干亟待解決的問(wèn)題，在MSS的可靠性建模、可靠度定量計(jì)算、動(dòng)態(tài)可靠性分析、多態(tài)單元重要性評(píng)估、含冗余單元的MSS維修策略制定及優(yōu)化等方面展開(kāi)了深入研究，主要研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)果有：
　　(1)為簡(jiǎn)化多態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性建模與定量分析計(jì)算，提出了一種基于改進(jìn)GO法的系統(tǒng)可靠性分析與評(píng)估算法—概率矩陣算法(Proba

3、bility Matrix Algorithm，PMA)。引入狀態(tài)概率矩陣和聯(lián)合狀態(tài)概率矩陣的概念，通過(guò)概率矩陣相乘獲得信號(hào)間所有可能的狀態(tài)組合，并基于操作符的運(yùn)算規(guī)則推導(dǎo)出常用GO操作符的新定量算式。新算法不僅便于分析信號(hào)間的狀態(tài)耦合關(guān)系，而且其算式直觀，易于編程。此外針對(duì)多態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)中共有信號(hào)的修正問(wèn)題，通過(guò)列寫(xiě)概率矩陣方程改進(jìn)了現(xiàn)有修正算法，既避免了復(fù)雜的公式推導(dǎo)，又不限制共有信號(hào)的個(gè)數(shù)和狀態(tài)維數(shù)。以某三軸平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)為例，構(gòu)建了

4、系統(tǒng)可靠性模型—GO圖，并利用所開(kāi)發(fā)的PMA計(jì)算程序進(jìn)行了系統(tǒng)靜態(tài)可靠性分析。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了所提PMA以及共有信號(hào)修正算法的可行性和有效性。
　　(2)為提高GO法構(gòu)建多態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析模型的準(zhǔn)確性與靈活性，補(bǔ)充了一種新的GO操作符—多態(tài)操作符，并基于PMA給出了該操作符的定量算式。多態(tài)操作符可實(shí)現(xiàn)輸入與輸出狀態(tài)間的多種復(fù)雜耦合關(guān)系，原則上可替代任何一種GO操作符，并且對(duì)單元的狀態(tài)維數(shù)和運(yùn)算規(guī)則的復(fù)雜程度不敏感。多態(tài)操作符彌補(bǔ)

5、了GO操作符存在的不足，完善了MSS的GO法分析理論。
　　(3)為實(shí)現(xiàn)可靠性的動(dòng)態(tài)分析，結(jié)合GO法和馬爾可夫過(guò)程理論，建立了單元的可靠性參數(shù)隨時(shí)間變化的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，給出了單元和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性的計(jì)算模型。只要根據(jù)協(xié)變量的采樣值獲得單元處于各狀態(tài)的瞬時(shí)概率分布，即可確定GO圖中各操作符的狀態(tài)概率矩陣，進(jìn)而獲得系統(tǒng)可靠性的動(dòng)態(tài)評(píng)估結(jié)果。將所提的動(dòng)態(tài)可靠性分析方法應(yīng)用于某捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，并按系統(tǒng)構(gòu)成單元的瞬時(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率恒定和可變兩種情

6、況分別進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。結(jié)果證明所提的動(dòng)態(tài)可靠性分析方法是可行的，評(píng)價(jià)結(jié)果可為系統(tǒng)和單元性能的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確判斷提供可信依據(jù)。
　　(4)針對(duì)現(xiàn)有多態(tài)單元重要性評(píng)價(jià)中的不足以及維修活動(dòng)對(duì)單元關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)，借鑒故障樹(shù)分析中的概率重要度、故障模式的危害度以及多態(tài)單元的Birnbaum重要度，綜合權(quán)衡影響單元維修的風(fēng)險(xiǎn)度、對(duì)系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)度以及檢測(cè)度等性能指標(biāo)，引入單元維修重要度(Maintenance Importance，MI)的概念。結(jié)

7、合系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，MI可定量評(píng)估各時(shí)刻的單元重要性。與具有單一評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性評(píng)價(jià)方法相比，由于考慮了單元間的結(jié)構(gòu)關(guān)系、經(jīng)濟(jì)關(guān)系，MI的評(píng)價(jià)結(jié)果更全面，置信度更高。將該評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于某捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的單元重要度評(píng)估中，計(jì)算出了各單元在不同維修時(shí)刻的維修優(yōu)先級(jí)，為后續(xù)維修活動(dòng)中單元的維修順序提供了有力支撐。
　　(5)以可靠性為中心維修(Reliability Centered Maintenance，RCM)的思想為指導(dǎo)，利用GO

8、法搭建綜合可靠性評(píng)估、剩余壽命預(yù)測(cè)、單元維修重要性評(píng)價(jià)為一體的系統(tǒng)健康管理平臺(tái)。通過(guò)協(xié)變量的采樣使平臺(tái)保持與系統(tǒng)同步，實(shí)時(shí)計(jì)算單元和系統(tǒng)可靠度，并基于動(dòng)態(tài)可靠度預(yù)測(cè)單元剩余壽命，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和單元性能的準(zhǔn)確評(píng)估?？紤]到冗余單元的存在，為減少不必要的預(yù)防性維修，增加系統(tǒng)可用性，只有系統(tǒng)可靠度預(yù)測(cè)值低于設(shè)定閾值時(shí)，才根據(jù)單元的維修重要度和剩余壽命提出維修計(jì)劃?；贕O法建立了某捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的健康管理平臺(tái)，仿真結(jié)果證明所提管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路是可行

9、的，評(píng)估結(jié)果可為后續(xù)維修策略的制定提供支撐信息。
　　(6)針對(duì)多態(tài)復(fù)雜冗余系統(tǒng)的預(yù)測(cè)維修問(wèn)題，基于維修重要度和GO法提出了無(wú)限時(shí)段內(nèi)動(dòng)態(tài)群組維修策略的總體設(shè)計(jì)思路。以系統(tǒng)可靠度是否達(dá)標(biāo)為準(zhǔn)則確定維修時(shí)刻，以維修時(shí)刻單元的維修重要度為依據(jù)確定維修順序，以維修的單位時(shí)間成本最小為目標(biāo)優(yōu)化維修范圍和維修任務(wù)。所提的動(dòng)態(tài)群組維修策略分兩級(jí)進(jìn)行，第一級(jí)計(jì)算維修時(shí)刻單元的維修重要度，確定單元的維修順序;第二級(jí)通過(guò)已建立的單位時(shí)間成本模型選擇

10、最優(yōu)的維修范圍和維修任務(wù)。此外，針對(duì)存在多種維修模式的復(fù)雜冗余系統(tǒng)也進(jìn)行了討論，并建立了維修策略優(yōu)化模型。最后以某捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)為例，建立了維修的單位時(shí)間成本模型，以單位時(shí)間成本最小為目標(biāo)，優(yōu)化了維修范圍和維修活動(dòng)。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了所提動(dòng)態(tài)群組維修策略的有效性，并且與傳統(tǒng)的群組維修策略相比，本文所提方法可大大簡(jiǎn)化在線尋優(yōu)過(guò)程，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理速度。
　　綜上，針對(duì)多態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性建模分析，本文提出了一種系統(tǒng)可靠性定量評(píng)估新算法PM

11、A，基于PMA的共有信號(hào)修正算法，適用于多態(tài)單元建模的多態(tài)操作符，以及MSS的動(dòng)態(tài)可靠性分析模型。針對(duì)多態(tài)復(fù)雜冗余系統(tǒng)的預(yù)測(cè)性維修，引入了多態(tài)單元維修重要度的概念，基于GO法搭建了系統(tǒng)健康管理平臺(tái)，并提出了無(wú)限時(shí)段內(nèi)動(dòng)態(tài)群組維修策略的設(shè)計(jì)與優(yōu)化思路。本文完成了所提理論和算法在復(fù)雜慣導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用驗(yàn)證，取得了理論創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用成果，既解決了多態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)在可靠性理論研究中存在的一些問(wèn)題，又豐富、完善和發(fā)展了GO法理論，為基于GO法的多態(tài)復(fù)雜