前言

第1章 緒論

1.1 基本概念

1.1.1 可靠性

1.1.2 可靠性分析與評估

1.1.3 復雜繫統可靠性分析與評估

1.2 復雜繫統可靠性分析與評估方法論

1.2.1 復雜繫統可靠性分析與評估研究角度

1.2.2 復雜繫統可靠性分析與評估研究思路

1.3 復雜繫統設計可靠性分析與評估

1.3.1 基於復雜繫統結構的可靠性分析與評估

1.3.2 復雜繫統可靠性增長分析與評估

1.3.3 基於信息融合的復雜繫統可靠性分析與評估

1.4 復雜繫統運行可靠性分析與評估

1.4.1 運行數據的分析與處理

1.4.2 可靠性分析

1.4.3 剩餘壽命預測

1.5 基於復雜繫統特點的可靠性分析與評估方法

1.5.1 多態繫統可靠性問題

1.5.2 多失效模式可靠性問題

1.5.3 競爭失效可靠性問題

1.6 本書研究內容與結構

第2章 復雜繫統可靠性數據分析

2.1 可靠性數據分析概述

2.1.1 可靠性數據分析難點

2.1.2 可靠性數據分析流程

2.1.3 可靠性數據主要類型

2.2 可靠性數據的采集

2.2.1 可靠性數據采集要求

2.2.2 可靠性數據采集程序

2.2.3 民機可靠性數據采集

2.3 可靠性數據處理

2.3.1 數據處理流程

2.3.2 異常可靠性數據處理

2.3.3 缺失可靠性數據處理

2.4 可靠性參數估計

2.4.1 定量指標

2.4.2 壽命分布函數

2.4.3 隨機過程模型

2.4.4 協變量模型

2.5 可靠性數據集成分析

2.5.1 可靠性數據集成分析框架

2.5.2 可靠性數據集成分析步驟

第3章復雜繫統設計可靠性評估與決策

3.1 可靠性信息融合技術特點及方法

3.1.1 可靠性信息融合技術的特點

3.1.2 可靠性信息融合的主要方法

3.2 同一階段同源可靠性信息融合

3.2.1 基於D-S證據推理的專家信息融合

3.2.、分繫統與繫統的信息融合

3.3 同一階段多源可靠性信息融合

3.3.1 專家信息與試驗數據的融合

3.3.2 同一階段多源先驗信息融合

3.4 可靠性增長信息融合

3.4.1 可靠性增長信息融合建模

3.4.2 可靠性增長信息融合應用

3.5 可靠性決策的信息融合

3.5.1 Bayes風險決策的基本原理

3.5.2 同一階段的可靠性決策

3.5.3 基於最優信息量的可靠性決策

3.5.4 可靠性增長試驗後驗決策

第4章復雜繫統運行可靠性評估與預測

4.1 基於狀態監測信息的繫統性能退化評估

4.1.1 基於Bayes線性模型的狀態監測信息融合

4.1.2 基於支持向量機的狀態監測信息融合

4.2 復雜繫統性能可靠性評估

4.2.1 基於Gamma過程的可靠性評估

4.2.2 基於Wiener過程的可靠性評估

4.2.3 基於HMM的可靠性評估

4.3 基於小樣本故障數據的復雜繫統可靠性評估

4.4 復雜繫統競爭失效可靠性分析與評估

4.4.1 基於競爭失效的復雜繫統可靠性分析

4.4.2 基於競爭失效的復雜繫統可靠性評估

4.5 復雜繫統剩餘壽命預測

4.5.1 基於潛在故障期的剩餘壽命預測

4.5.2 基於HMM的繫統剩餘壽命預測

4.5.3 基於競爭失效的繫統剩餘壽命預測

第5章復雜繫統可靠性分析

5.1 復雜繫統可靠性分析建模方法

5.1.1 Bayes網絡方法的特點

5.1.2 Bayes網絡的數學描述

5.1.3 Bayes網絡的推理形式

5.1.4 Bayes網絡的建模步驟

5.2 基於Bayes網絡的FMEA建模

5.2.1 基於Bayes網絡的FMEA方法

5.2.2 FMEA的Bayes網絡定性建模

5.2.3 FMEA的Bayes網絡定量建模

5.2.4 基於動態Bayes網絡的FMEA建模

5.3 基於故障樹和Bayes網絡的可靠性分析

5.3.1 故障樹分析與Bayes網絡

5.3.2 故障樹與Bayes網絡轉換

5.3.3 區間Bayes網絡建模

5.4 基於Bayes網絡的故障原因分析

5.4.1 故障原因分析建模

5.4.2 D-Seperation方法

5.5 Bayes網絡模型的靈敏度分析

5.5.1 Bayes網絡靈敏度分析方法

5.5.2 靈敏度分析的符號概率推斷

第6章 復雜繫統可靠性分析與評估繫統開發

6.1 可靠性分析與評估繫統需求分析

6.2 可靠性分析與評估繫統設計框架

6.2.1 繫統設計原則

6.2.2 繫統設計技術

6.2.3 繫統組成框架

6.3 可靠性分析與評估繫統環境配置

6.3.1 繫統環境配置過程

6.3.2 配置中的常見問題

6.4 航空發動機可靠性分析與評估繫統

6.4.1 繫統基本功能

6.4.2 數據采集體繫

6.4.3 主要功能模塊

6.4.4 繫統運行邏輯

6.4.5 繫統部分界面

參考文獻

後記

第1章?緒??論



可靠性在工程技術繫統中的應用已經有近百年歷史,其最早應用在軍事領域,在武器裝備、導彈繫統的可靠性控制中發揮了重大作用。20世紀40年代是可靠性研究萌芽時期,為解決電子設備可靠性影響武器裝備繫統效能的問題,通過采用新材料和新工藝,發展質量控制及檢驗統計技術提高了電子管的可靠性。20世紀50年代是可靠性研究興起和形成的時代,為解決軍用電子設備和復雜導彈繫統的可靠性問題,1952年美國國防部成立了一個由軍方、工業部門和學術界組成的電子設備可靠性咨詢組(AGREE),1957年AGREE發表了《軍用電子設備可靠性》研究報告,該報告是可靠性發展的奠基性文件,標志著可靠性研究已經成為一門獨立的學科,是可靠性研究發展的重要裡程碑。20世紀60年代是可靠性研究快速發展的時期,可靠性研究對像從電子設備擴大到各種軍用設備,制定出MIL?HDBK?217、MIL?HDBK?781和MIL?HDBK?785等軍用標準,將可靠性正式列為軍用產品質量指標。國際上首個可靠性工程專業學術雜志IEEETransac?




tiononReliability於1963年問世,大量的可靠性專業書籍在20世紀60年代出版發行[1],美國、法國、日本及蘇聯陸續開展了可靠性研究。20世紀70年代可靠性研究進入成熟階段,洲際導彈、航空航天繫統、原子能繫統、電力繫統、交通運輸繫統和武器裝備繫統的出現及性能提升,都對可靠性提出了更高的要求,基於全壽命周期的可靠性設計、可靠性試驗、可靠性分析、可靠性評估及可靠性控制的理念逐步形成,並提出了有效的對策和措施。20世紀80年代以後,軟件的可靠性研究日益得到重視,可靠性研究向著更深更廣的方向發展,將可靠性與性能、費用和時間看成同等重要的參數,逐漸在可靠性管理和可靠性技術方面各自突破、協同發展,取得了良好的效果。




進入21世紀以來,可靠性研究的特點更加明顯,主要體現在集成化、協同化、繫統化和精確化等多方面。首先,從繫統本身來講,全壽命周期的可靠性管理本身就是對可靠性工程研究領域和內容的高度集成化和繫統化;其次,可靠性研究涉及的相關領域,如狀態監測、維修決策和綜合保障等環節,必須通過協同化纔能實現預防事故發生和減少損失;最後,由於研制費用、研制周期和運行成本等多方面因素的共同作用,對高度復雜的武器裝備繫統、航空航天繫統和核電站繫統等,更需要精確的評估和控制可靠性水平,實現可靠性和經濟性的協同優化。




在我國,可靠性研究和應用可以追溯到新中國成立(1949年)後的第一個五年計劃時期,以電子工業部門設立的產品可靠性試驗研究基地為標志。20世紀60年代,錢學森先生曾對可靠性統計提出“變動統計學?、“小子樣統計推斷?和“繫統可靠性綜合?等3個重要研究方向,對我國可靠性的深入研究與發展影響巨大。目前,隨著國家經濟建設的發展,復雜繫統可靠性相關技術研究對我國開發和研制重大產品過程提供有效支持的迫切性和重要性已十分明顯。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006?2020年)》的先進制造技術領域在“重大產品和重大設施預測技術專題?中就指出,要研究“重大產品、復雜繫統和重大設施的可靠性、安全性和壽命預測技術?。國家高技術研究發展計劃(863計劃)在先進制造技術領域設立的“重大產品和重大設施壽命預測技術專題?中也指出,通過壽命預測和可靠性共性理論與前沿技術的研究,為提高我國重大裝備、設施、工程的安全可靠運行能力,預防重大事故,增強高技術產業的國際競爭力,提供壽命預測與可靠性分析的關鍵技術、方法和手段。此外,國家自然科學基金作為最重要的面向全國支持基礎性研究的項目,也分別在數理科學部、信息科學部和管理科學部設立了相關研究方向,包括數理科學部的可靠性理論(代碼A011204)、疲勞與可靠性(代碼A020303),信息科學部的繫統可靠性理論(F030213)和管理科學部的繫統可靠性與管理(代碼G0111)。這些支持項目既表明了可靠性理論與技術研究的重要性,也體現了可靠性研究本身的多學科交叉的特征。可以說,我國成功爆炸的原子彈、氫彈,精確發射的人造衛星和運載火箭,載人航天事業的發展,具有獨立自主知識產權的ARJ21飛機和正在研制中的大型客機C919、大型運輸機和大型發動機,安全運行的核電站繫統和電力繫統,百萬公裡事故率躍居全球第二的民航繫統,高速鐵路的建設和運營,現役和正在研制中的武器裝備繫統,都是可靠性研究及相關工作在我國得到成功應用的具體體現。




復雜繫統的可靠性定量方法出現略晚,但也可以追溯到20世紀50年代,經過半個多世紀的發展,其研究體繫更加全面,研究內容更加深入。可靠性分析與評估是復雜繫統可靠性研究領域的重要核心內容之一,也是整個復雜繫統可靠性研究的精髓內容體現。傳統的可靠性分析與評估是建立在大樣本數據基礎之上,隨著繫統的復雜性增強及運行環境的復雜化,對復雜繫統的可靠性分析與評估則提出了更高的要求。本書的相關研究內容來源於作者承擔航天、航空及武器裝備繫統可靠性分析、評估、驗證及管理技術研究過程中的所思所想,力圖能夠提煉出關於復雜繫統及重大設備可靠性研究的共性理論問題,將傳統的可靠性理論注入新的內涵[2],探索基於多學科交叉方法的復雜繫統可靠性分析與評估方法。期間先後受到國家自然科學基金與中國民航局聯合資助項目《民用飛機可靠性分析、評估與風險管理研究》(60879001)、江蘇省自然科學基金《復雜繫統安全監測與預警技術研究》(BK2009378)和江蘇省青藍工程優秀青年骨干教師項目的資助。本書內容界定在復雜繫統可靠性分析與評估的關鍵與前沿技術。




1.1?基本概念



1.1.1?可靠性



隨著人們對可靠性問題認識的逐步深入,針對可靠性的定義,本身就處於不斷發展變化之中。1957年,美國電子設備可靠性咨詢組發表的報告中將可靠性定義為“在規定的時間和給定的條件下,無故障完成規定功能的概率,即可靠度。?我國國軍標CJB451A《可靠性維修性保障性術語》,把可靠性定義為“產品在規定的條件下和規定的時間內,完成規定功能的能力?。[3]




進入20世紀90年代,可靠性的定義有了新的發展,1991年美國國防部指令以DI5000.2《國防采辦管理政策和程序》把可靠性定義為“繫統及其組成部分在無故障、無退化或不要求保障繫統的情況下執行其功能的能力?。[4]




可靠性包括固有可靠性和使用可靠性[3]。其中,固有可靠性是衡量產品設計和制造的可靠性水平,GJB451A將固有可靠性定義為“設計和制造賦予產品的,並在理想的使用和保障條件下所具有的可靠性?。使用可靠性可認為是綜合考慮了產品設計、制造、安全、環境、使用和維護圖1?1?固有可靠性與使用可靠性關繫等環節中的所有可能影響因素,用來衡量產品在預期環境中使用的可靠性水平,GJB451A將使用可靠性定義為“產品在實際的環境中使用時所呈現的可靠性,它反映設計、制造、使用、維修等因素的綜合影響?。固有可靠性與使用可靠性之間的關繫如圖1?1所示。




從產品壽命周期來看,使用可靠性覆蓋了產品的全壽命周期,而固有可靠性隻涉及設計和制造兩個環節;從固有可靠性和使用可靠性的比較來看,固有可靠性比使用可靠性更高,主要是使用可靠性涉及的因素更多,使用階段的維修和維護隻能作為維持和保持可靠性的一種手段,無法實現可靠性增長。以民用飛機為例,民用飛機的可靠性和安全性受適航規章約束,飛機要想真正投入運營,必須滿足飛機運營所在國適航標準的相關規定。適航標準包括初始適航標準和持續適航標準,初始適航標準對應的就是設計和制造階段的可靠性,也就是固有可靠性;持續適航標準則對應於使用可靠性,當然還受到維修和使用因素的制約。因此民機的可靠性指標體繫除了固有可靠性指標外,還包括表征其使用可靠性的簽派可靠度和出勤可靠度。簽派可靠度是指沒有因技術原因的延誤或撤銷航班而運營離站的百分數,技術性延誤是指由於機載設備和部件工作異常而進行檢查和必要的修理使飛機最後離站的時間延遲(若超過預定離站時間15min,則可認為發生了技術性延誤)。簽派可靠度是民機使用最為廣泛的參數性指標,該指標與飛機的固有可靠性、運營環境和航空公司的維修保障水平(包括技術能力和維修資源情況)都有關繫。通常情況下,飛機的可靠性好,故障率低,簽派可靠度就高;航空公司人員培訓好,用於排故和維修的資料齊全且方便,維修工作花費時間就短,飛機的簽派可靠度也就高。出勤可靠度是用於表示飛機正常運營離站的概率,它是描述飛機及地面支援繫統能力的參數,而不是用於描述飛機的繫統或分繫統的參數,不僅包括了可靠性的影響,同時也與維修性、地面支援繫統水平密切相關。可以看出,相對於固有可靠性,使用可靠性的影響因素更多,更加難以控制。這也可用於解釋波音公司和空客公司都是基於同樣固有可靠性的產品,但全球機隊在不同國家運營的簽派可靠度和出勤可靠度卻有較大差別的現像。




1.1.2?可靠性分析與評估



研究可靠性分析與評估必然涉及可靠性工程,兩者具有緊密聯繫。實際上,可靠性分析與評估是可靠性工程的重要組成部分,也是開展其他項目的基礎。




1. 可靠性工程



可靠性工程是指為了確定和達到可靠性要求所進行的一繫列技術與管理活動。



可靠性工程的基本任務就是確定產品可靠性和獲得產品的可靠性。實際上,這兩個



基本任務是交織在一起的。確定產品可靠性就是通過各種途徑,如可靠性設計、試



驗、繫統可靠性分析等來確定產品的失效(故障)機理、失效模式以及各種可靠性特



征量的全部數值或範圍等。獲得產品的可靠性是通過產品壽命周期中的一繫列技



術與管理措施來得到並提高產品可靠性,從而實現產品可靠性的最優化[5]。為了實



現產品的高可靠性,繫統科學、統計學和故障物理構成了可靠性工程的基礎[6]。



根據GJB450A《裝備可靠性工作通用要求》,可靠性工程的內容可以分為以下



3部分(1。)可靠性設計與分析。可靠性設計與分析就是通過可靠性預計、分配、分析和改進等一繫列可靠性工程技術活動,把可靠性定量要求轉化為產品設計,從而形成產品固有的可靠性,包括建立繫統可靠性模型、進行可靠性預計、可靠性分配和各種可靠性分析等。




(2)可靠性試驗。可靠性試驗是對產品的可靠性進行分析和評價的工程活動。其作用是通過對試驗結果的統計分析和失效分析,評估產品的可靠性,找出可靠性的薄弱環節,提出改進建議,實現產品可靠性增長。GJB450A規定的可靠性試驗包括環境應力篩選、可靠性研制試驗、可靠性增長試驗、可靠性鋻定試驗、可靠性驗收試驗、壽命試驗和加速壽命試驗、耐久性試驗、可靠性強化試驗和高加速應力試驗等。








(3)可靠性管理。可靠性管理是為確定和滿足可靠性要求而必須進行的一繫列組織、計劃、協調和監督等工作。可靠性管理在可靠性工程中的地位越來越重要,包括建立質量保證體繫、制定可靠性計劃、對供應方的監督和控制、可靠性評審、可靠性增長管理和制定可靠性標準等。




在可靠性工程中,相關的可靠性工作均有相關的標準進行控制[,如表1?1所示。



表1?1?可靠性工作相關標準



可靠性工作的主要項目 相關標準代號及名稱



可靠性計劃制定 GJB450A―2004裝備可靠性工作通用要求



可靠性評審 GJ/T7828―1987可靠性設計評審



可靠性管理 GJB/Z72―1995可靠性維修性評審指南



故障報告、分析和糾正措施繫統建立並運行 GJB841―1990故障報告、分析和糾正繫統



可靠性分配 GB5084―1984MTBF與可靠性估計方法



GB/T7827―1987可靠性預計程序



可靠性預計 GJB813―1990可靠性模型的建立和可靠性預計



可靠性設計與分析 GJB/Z299B―1991電子設備可靠性預計手冊



故障模式及影響分析 GB/T7826―1987繫統可靠性分析技術――故障模式與影響分析(FMEA)程序



GJB139―19



2故障模式、影響及危害性分析程序



HB6359―1989故障模式、影響及危害性分析程序



故障樹分析 GB/T7829―1987故障樹分析程序



GJB768A―1998故障樹分析指南



可靠性設計準則 GJB/Z102―1997軟件可靠性和安全性設計準則


<器件、零部件、原材料的選擇與控制 HB6429―1990零部件控制大綱



其他 GJB/Z27―1992電子設備可靠性熱設計手冊



續表



可靠性工作的主要項目 相關標準代號及名稱



可靠性試驗與 環境應力篩選試驗 GJB1032―1990電子產品環境應力篩選方法



可靠性增長試驗 GJB1407―1992可靠性增長試驗



GB/T5080―1986設備可靠性試驗



評價 可靠性鋻定試驗 GJB899―1990可靠性鋻定與驗收試驗HB6139―1987航空機載設備可靠性試驗(鋻定和驗收)



壽命試驗 GB12282―1990壽命試驗用表



使用可靠性評估與改進 使用可靠性信息收集 GB5081―1985電子產品現場可靠性、有效性和維修性數據收集指南







2.可靠性分析與評估



可靠性分析貫穿於產品的全壽命周期,在產品不同階段進行可靠性分析的途徑和方法是有所區別的。可靠性分析既包括定性的可靠性分析,又包括定量的可靠性分析。定性的可靠性分析包括故障模式及影響分析(FailureModeandEf




ectAnalysis,FMEA)、故障樹分析(FaultTre



Analysis,FTA)、事件樹分析(EventTre



Analysis,ETA)和可靠性框圖,定量的可靠性分析包括可靠性模型和可靠性統計數據分析。相對於可靠性分析,可靠性評估(可靠性評定)是指根據產品的可靠性結構、壽命模型,利用試驗數據和現場使用數據等,對產品的可靠性進行估計的過程。




無論是進行可靠性分析,還是進行可靠性評估,其基礎都是可靠性數據。通過可靠性數據分析技術,從可靠性數據中能有效挖掘出對於產品可靠性的多層面和多角度的狀態信息。可靠性數據分析是通過收集繫統產品在研制、試驗、生產和維修中產生的可靠性數據,並依據繫統的功能或可靠性結構,利用概率統計方法,給出繫統可靠性數量指標的定量估計。它是一種既包含數學和可靠性理論,又包含工程的分析方法[8]。




1.1.3?復雜繫統可靠性分析與評估



復雜繫統是具有復雜性屬性的繫統,它擁有大量交互成分,內部關繫復雜且不確定,行為具有非線性,不能由全部局部變量、局部屬性來重構總體屬性,也不能通過局部特性來形像或抽像描述整體繫統的特性。一般來說,復雜繫統具有以下特點:從定性上看,復雜繫統具有開放性、多時性、非確定性、擾動性、非線性、相似性、混沌現像與病態結構等特點;從定量上講,具有高階次、高維數、多輸入/自