多態(tài)復雜系統(tǒng)的可靠性分析及維修策略研究.pdf

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

2、變的本質特征，也能定性和定量評估系統(tǒng)可靠性方面的性能，已廣泛應用于各種領域。
　　本論文針對多態(tài)復雜系統(tǒng)可靠性理論中若干亟待解決的問題，在MSS的可靠性建模、可靠度定量計算、動態(tài)可靠性分析、多態(tài)單元重要性評估、含冗余單元的MSS維修策略制定及優(yōu)化等方面展開了深入研究，主要研究內容和研究結果有：
　　(1)為簡化多態(tài)復雜系統(tǒng)的可靠性建模與定量分析計算，提出了一種基于改進GO法的系統(tǒng)可靠性分析與評估算法—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，通過概率矩陣相乘獲得信號間所有可能的狀態(tài)組合，并基于操作符的運算規(guī)則推導出常用GO操作符的新定量算式。新算法不僅便于分析信號間的狀態(tài)耦合關系，而且其算式直觀，易于編程。此外針對多態(tài)復雜系統(tǒng)中共有信號的修正問題，通過列寫概率矩陣方程改進了現有修正算法，既避免了復雜的公式推導，又不限制共有信號的個數和狀態(tài)維數。以某三軸平臺慣導系統(tǒng)為例，構建了

4、系統(tǒng)可靠性模型—GO圖，并利用所開發(fā)的PMA計算程序進行了系統(tǒng)靜態(tài)可靠性分析。計算結果驗證了所提PMA以及共有信號修正算法的可行性和有效性。
　　(2)為提高GO法構建多態(tài)復雜系統(tǒng)可靠性分析模型的準確性與靈活性，補充了一種新的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)操作符可實現輸入與輸出狀態(tài)間的多種復雜耦合關系，原則上可替代任何一種GO操作符，并且對單元的狀態(tài)維數和運算規(guī)則的復雜程度不敏感。多態(tài)操作符彌補

5、了GO操作符存在的不足，完善了MSS的GO法分析理論。
　　(3)為實現可靠性的動態(tài)分析，結合GO法和馬爾可夫過程理論，建立了單元的可靠性參數隨時間變化的狀態(tài)轉移方程，給出了單元和系統(tǒng)動態(tài)可靠性的計算模型。只要根據協(xié)變量的采樣值獲得單元處于各狀態(tài)的瞬時概率分布，即可確定GO圖中各操作符的狀態(tài)概率矩陣，進而獲得系統(tǒng)可靠性的動態(tài)評估結果。將所提的動態(tài)可靠性分析方法應用于某捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，并按系統(tǒng)構成單元的瞬時狀態(tài)轉移概率恒定和可變兩種情

6、況分別進行了計算驗證。結果證明所提的動態(tài)可靠性分析方法是可行的，評價結果可為系統(tǒng)和單元性能的實時準確判斷提供可信依據。
　　(4)針對現有多態(tài)單元重要性評價中的不足以及維修活動對單元關注的側重點，借鑒故障樹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，綜合權衡影響單元維修的風險度、對系統(tǒng)可靠性的貢獻度以及檢測度等性能指標，引入單元維修重要度(Maintenance Importance，MI)的概念。結

7、合系統(tǒng)實時運行信息，MI可定量評估各時刻的單元重要性。與具有單一評價指標的重要性評價方法相比，由于考慮了單元間的結構關系、經濟關系，MI的評價結果更全面，置信度更高。將該評價方法應用于某捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的單元重要度評估中，計算出了各單元在不同維修時刻的維修優(yōu)先級，為后續(xù)維修活動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，利用GO

8、法搭建綜合可靠性評估、剩余壽命預測、單元維修重要性評價為一體的系統(tǒng)健康管理平臺。通過協(xié)變量的采樣使平臺保持與系統(tǒng)同步，實時計算單元和系統(tǒng)可靠度，并基于動態(tài)可靠度預測單元剩余壽命，實現系統(tǒng)和單元性能的準確評估?？紤]到冗余單元的存在，為減少不必要的預防性維修，增加系統(tǒng)可用性，只有系統(tǒng)可靠度預測值低于設定閾值時，才根據單元的維修重要度和剩余壽命提出維修計劃?；贕O法建立了某捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的健康管理平臺，仿真結果證明所提管理平臺的設計思路是可行

9、的，評估結果可為后續(xù)維修策略的制定提供支撐信息。
　　(6)針對多態(tài)復雜冗余系統(tǒng)的預測維修問題，基于維修重要度和GO法提出了無限時段內動態(tài)群組維修策略的總體設計思路。以系統(tǒng)可靠度是否達標為準則確定維修時刻，以維修時刻單元的維修重要度為依據確定維修順序，以維修的單位時間成本最小為目標優(yōu)化維修范圍和維修任務。所提的動態(tài)群組維修策略分兩級進行，第一級計算維修時刻單元的維修重要度，確定單元的維修順序;第二級通過已建立的單位時間成本模型選擇

10、最優(yōu)的維修范圍和維修任務。此外，針對存在多種維修模式的復雜冗余系統(tǒng)也進行了討論，并建立了維修策略優(yōu)化模型。最后以某捷聯(lián)慣導系統(tǒng)為例，建立了維修的單位時間成本模型，以單位時間成本最小為目標，優(yōu)化了維修范圍和維修活動。計算結果驗證了所提動態(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化在線尋優(yōu)過程，提高系統(tǒng)實時處理速度。
　　綜上，針對多態(tài)復雜系統(tǒng)的可靠性建模分析，本文提出了一種系統(tǒng)可靠性定量評估新算法PM

11、A，基于PMA的共有信號修正算法，適用于多態(tài)單元建模的多態(tài)操作符，以及MSS的動態(tài)可靠性分析模型。針對多態(tài)復雜冗余系統(tǒng)的預測性維修，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，并提出了無限時段內動態(tài)群組維修策略的設計與優(yōu)化思路。本文完成了所提理論和算法在復雜慣導系統(tǒng)中的應用驗證，取得了理論創(chuàng)新和實際應用成果，既解決了多態(tài)復雜系統(tǒng)在可靠性理論研究中存在的一些問題，又豐富、完善和發(fā)展了GO法理論，為基于GO法的多態(tài)復雜