动态系统的可靠性分析综述要点.doc

动态系统的可靠性分析综述 摘要：可靠性设计的基本任务是在故障物理学研究的基础上，结合可靠性试验以及故障数据的统计分析，提供实际计算的数学力学模型和方法及实践。这样就可以在产品的研制阶段，估计或预测产品在规定工作条件下的工作能力状态或寿命，保证产品具有所需的可靠性。传统可靠性分析的概念只能描述静态逻辑关系，不能满足现代复杂动态系统可靠性分析的需要。在给出动态系统状态空间结构和结构函数的基础上，提出失效序列和失效丛的概念描述动态系统的故障模式，这一概念扩展了传统可靠性分析的概念，将割集、蕴含集等作为其在静态情形的特例。给出动态系统部件的概率重要度、结构重要度以及关键重要度的概念，用实例对提出的有关概念进行了说明。 关键词：动态系统；性能可靠性；随机因素；模块化 0 前言 可靠性是产品质量的核心指标之一。在全球化背景下性能、可靠性、价格及服务等成为产品竞争不可或缺的要素未来市场将由具有高可靠性产品的企业所主导。 产品固有可靠性是由设计阶段决定的。但是传统可靠性建模方法存在诸多不足难以准确分析和求解复杂系统的可靠性指标。例如可靠性框图RBD）和故障树分析FTA）缺乏描述系统动态运行过程的能力马尔科夫Markov）模型建模过程繁琐模型求解和分析困难。近年来动态可靠性建模引起人们关注人们提出了动态故障树、GO-FLOW法、随机Petri网Stochastic Petri Net，SPN）等动态可靠性建模方法。 随机Petri网着眼于系统状态及其动态变化兼有图形化建模能力和数学计算能力成为复杂系统调度、控制和性能评价研究的有效工具[6]。但是随机Petri网存在状态爆炸问题造成复杂系统可靠性指标的求解困难。蒙特卡洛Monte Carlo）仿真弥补了SPN在模型计算求解方面的不足 1 动态系统可靠性基本概念 在系统可靠性分析中除了关心一个事件组合是否会导致不期望事件的发生以外对动态系统确定事件组合如何导致不期望事件的发生比如控制系统的操作顺序错误会导致严重后果对指导设计和制定维修方案也是非常有意义的。前者对应于故障树分析中割集和蕴含集的概念可以采用传统故障树分析方法计算单调或非单调关联故障树的割集和蕴含集对于后者包括故障树分析在内的传统的可靠性分析没有提供有效的描述。 动态系统可靠性分析与静态系统可靠性分析的最大区别在于前者不希望事件如系统失效的发生可能不仅仅是由基本事件的静态逻辑组合导致的基本事件对不希望事件的影响可能依赖于其他事件是否发生如贮备系统以及发生的时序如人机系统等。为此提出“失效序列”的概念。所谓失效序列是指在一个预先给定或缺省的初始状态比如“所有事件都没有发生”下一个基本事件序列的时序描述出现在该事件序列中的事件按时间先后顺序发生并导致不希望事件的发生。 静态系统可靠性分析是建立在组合函数理论基础之上的与之对应则有时序函数理论用于处理输出量与输入变量现在及过去的状态都有关的问题但是如何将其用于动态系统可靠性分析还需要做进一步研究。Petri网及其扩展在描述顺序、并发、不对称事件结构等方面具有很强建模能力并且建立了极其丰富的理论分析体系适合于从基本概念、可靠性模型及定性定量分析方法方面建立一套比较完整的动态系统可靠性分析框架。 系统描述及性能可靠性影响因素 忽略非线性因素一个存在噪声的动态系统描述如 图1　动态系统结构 A、B、C、G是描述系统结构特征的参数由系统结构、组成及参数决定。实际系统受各种内外扰动因素的影响用线性时变方程描述为 dXt)/dt =A(t)X(t)+B(t)U(t)+G(t)N1(t) Y(t) =C(t)X(t) (1) 式中 At) = (A0-ξA(t))，B(t) = (B0-ξB(t)) G(t) = (G0-ξG(t))，C(t) = (C0-ξC(t)) 对于图1描述的动态系统有三种因素会引起输出Yt)出现波动、降级进而引起系统性能不可靠分别为1)输入和输出噪声N1t)，N2(t)；(2)系统结构参数初值[A0B0，C0，G0]的不确定性3)参数退化[ξAt)，ξB(t)，ξC(t)，ξG(t)]导致的系统参数变化。 动态系统的性能可靠性分析方法的技术路线如图2所示。对于动态系统输入输出噪声N1t)，N2(t)是随机过程见图2b）），直接影响系统的输出性能。结构参数的初值[A0B0，C0，G0]是具有固定分布特征的随机量见图2c）），这些不确定性会导致系统输出性能与设计要求有一定的偏差。温度、振动等外部环境因素对系统的影响通过两种方式体现一是这些环境因素直接影响系统的结构参数另外一种是在存在结构参数退化的系统中环境因素影响系统的结构、材料属性及加工工艺进而间接影响系统结构参数的退化轨