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基于小样本失效数据的复杂装备可靠性评估研究进展与挑战
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李志强汪新陈宇奇顾钧元
摘要:随着集机、电、液等技术于一体的复杂系统朝着高可靠性、长寿命、高成本等方向发展,在可靠性定时截尾试验中经常出现小样本失效数据,甚至无失效数据情况。在阐述整机级、系统级复杂装备具有可靠性数据多源、数据信息不确定、连续性执行任务等特点的基础上,分别从先验信息、数据扩充和多源信息融合3个方面综述了小样本失效数据可靠性评估的研究现状,概括分析现有研究存在的不足,展望了今后复杂装备可靠性评估的发展趋势和研究重点,提出了应用贝叶斯网络表征复杂装备不确定性量化过程的新思路,开展了基于可靠性评估的集群装备选择性维修优化研究。
关键词:小样本;可靠性评估;不确定性;贝叶斯网络;选择性维修
:TJ760.6+23;TB114.3?:A:1673-5048(2021)03-0083-08
0引?言
高端武器装备的可靠性水平是衡量综合国力、凸显国际竞争力的关键因素,因此,《中国制造2025》强调大力提高国防装备质量、可靠性和寿命,增强国防装备的实战能力。
由于集机、电、液等技术于一体的航天飞机、大型舰船、运载火箭等复杂系统具有高可靠性、长寿命、高成本等特点,在可靠性定时截尾试验中经常出现小样本失效数据,甚至无失效数据情况,以致基于大数定理的经典可靠性评估方法难以适用[1-4]。虽然在复杂装备的研制过程中进行了各种可靠性试验以确保系统的可靠性水平,但是,大型武器装备具有典型的订单式生产特点,即品种少、数量少,研制阶段可用于试航、试飞等试验任务的装备总量屈指可数。
根据试验目的的不同,可靠性试验可以分为环境应力筛选试验、可靠性增长试验、可靠性鉴定试验、可靠性验收试验和可靠性测定试验。对于成败型复杂系统而言,大部分可靠性试验具有一定的破坏性,因而无法开展大量试验。此外,“经济可承受性”的提出也要求在装备的研制过程中充分考虑人力、物力、财力、安全性等因素。
因此,开展小样本失效数据条件下的复杂装备可靠性评估研究具有极为迫切的工程实践需要,已逐渐成为近年来国内外的研究热点。通过课题研究可以准确确定复杂系统的可靠性指标,改进设计和制造工艺,缩短装备的研制周期,把握装备性能退化规律,及时制定科学可行的维修决策,从而节约装备运行和维护成本,推动传统的定期维修模式向视情维修模式转变。
1小样本失效数据装备可靠性评估难点
小样本失效数据指装备在可靠性定时截尾试验中只有少量失效事件发生或者没有失效事件发生,数据信息样本量小,以致无法采用基于概率理论的经典可靠性分析方法进行可靠性评估。由于整机级、系统级复杂装备具有如下特点,目前难以利用单一来源的数据信息直接确定系统的可靠性指标,现以惯性导航系统为代表进行简要分析:
(1)惯性导航系统在研制、设计、生产、试验、使用等各个阶段,除了故障失效数据,还有加速寿命试验数据、仿真数据、性能退化数据、状态监测数据、专家经验以及相似装备历史数据等信息,呈现出多源、多阶段、多格式的特点。如果单一地使用某种数据信息,不仅造成其他数据资源的浪费,还会使得可靠性评估结果不够客观、准确,影响后续维修决策的制定。
(2)惯性导航系统在技术选择、冗余设计、参数拟定、材料筛选、方案规划等各个环节都涉及到不确定信息,即不精确、不完整、甚至完全未知的信息,以致出现元件寿命分布模型不确定、模型参数不确定等情况。因此,在进行可靠性评估分析时还需要特别考虑不确定信息对装备可靠性评估的影响,以确保评估结果的准确性和可信性。
(3)随着惯性导航系统功能日益强大、结构日趋复杂,出现故障的可能性越大,因而造成的风险和损失也就越大。此外,惯性导航系统的运行成本和综合保障费用逐渐增长,“经济可承受性”成为了一个新问题。传统的“多维修、多保养”方式不仅导致了高额保障成本,也无法从根本上确保惯性导航系统的运行可靠性,反而影响了装备连续性地执行任务。
可见,以惯性导航系统为代表的整机级、系统级复杂装备具有可靠性数据多源、数据信息不确定、连续性执行任务等特点,使得基于小样本失效数据的复杂装备可靠性评估以及后续的维修决策优化成为了理论研究与工程实践上的难题。
2小样本失效数据装备可靠性评估方法
小样本失效数据复杂装备可靠性建模主要有三个思路[5-8]:(1)根据先验信息建立可靠性评估模型;(2)扩充数据样本,将小样本问题转化为大样本问题处理;(3)融合退化数据、寿命数据和专家经验等多源数据信息进行综合分析,如图1所示。
2.1基于先验信息的可靠性评估方法
基于先验信息的可靠性评估方法一般根据专家信息进行模型构建[9-12],即通过专家经验给定装备可靠性分析使用模型,如指数分布模型、正态分布模型、威布尔分布模型等,以可靠性预计数据或相似装备故障数据
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