基于性能退化信息的系统可靠性建模分析方法

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1、d险航空标准化与质量2015年第4期基于性能退化信息的系统可靠性建模分析方法任占勇武月琴李永红(中航工业综合技术研究所，北京100028)【摘要】针对系统及其组成单元的性能退化问题，分析了电子产品故障特点，描述了3种基本的性能状态变化行为；研究了性能退化的系统及其组成单元的不同工作状态的确定方法：在此基础上提出了基于通用衍生函数的多状态系统可靠性建模方法。通过构建考虑单元性能退化特征的系统可靠性模型，用多状态刻画系统性能退化的动态变化特征，实现了具有性能退化特征的系统可靠性的精准描述。【关键词】性能退化；通用衍生函数；多状态系统【中图分类号】TBll4．2【文献标识码】A【

2、文章编号】1003—6660(2015)04_003鲫5【DOI编码】10．13237／j．cnki．asq．2015．04．010基于现代使用和作战任务的需要，装备及其系统组成结构和功能日益复杂，主要表现在如下几个方面：一是项层任务具有多样性。系统的使命任务(或具体使用过程中承担的任务)往往具有多样性，多样化带来的问题较为复杂，不易用工作与故障2个状态清楚描述。二是功能单元的任务具有动态性。系统的功能单元的任务是在系统的实际运行过程中，按照运行“规则”动态分配的，功能单元的工作具有多状态性。三是系统及其组成单元的性能具有退化趋势。现有的可靠性建模分析技术在解决具有上述特点

3、的系统可靠性分析与设计问题时存在诸多不足。如系统被假设为二态系统即只有正常工作与完全失效2种状态，这样的假设对复杂系统而言过于简单。复杂系统在工作过程中呈现出结构复杂、多状态和性能退化的特点，如卫星单元的失效会造成系统性能的降低，以及系统完成任务能力的降低，而不是整个系统的失效或任务的失败。如果不考虑系统组成单元及自身的性能退化仍利用二态系统可靠性分析方法对其分析，很难准确地描述系统性能降低或失效的内在原因。可靠性建模是可靠性工作的重要组成部分，是实现可靠性预计、可靠性分配以及可靠性评估等的前提条件。对于复杂系统，如果没有正确的、可用的可靠性建模分析方法，在设计阶段将不能对

4、其可靠性进行分配和预计，从而导致不能进行正确的设计，因此，也不能进行可靠性设计评价；在定型阶段，会产生任务可靠性的约束条件难以界定，从而[收稿日期]2015-06-09导致任务可靠性无法验证。复杂系统由于其技术含量高以及系统内子系统和单元运行过程的复杂性等特点，其可靠性分析牵涉因素繁多，需要围绕可靠性要求及其资源约束，对可靠性相关的工作项目及其工程过程活动进行系统规划、实施和控制，而可靠性建模分析技术是实施系统可靠性工程的关键基础技术。多状态系统主要分为2种：多工作状态系统和多性能水平系统¨】。多工作状态系统是指系统除了正常工作和完全失效2种状态外，还具有多种工作状态，如，

5、l中取k系统就是典型的多工作状态系统。多性能水平系统是指系统能够在多种性能水平下运行。如核动力装置的设计寿命一般很长，但随着运行时间的增加，由于设备的老化、磨损或维修管理不当等原因，部分设备的性能会出现退化，整个装置的技术状态呈下降趋势，呈现出多种性能水平。多态系统可靠性分析方法主要有4种：布尔模型扩展方法，随机过程方法(主要是Markov过程方法)，MonteCarlo仿真方法和通用生成函数方法【2】。通用衍生函数法是计算多状态系统可靠性的有效方法，解决了多种具体系统的可靠性建模问题【3。’7】。本文针对系统及其组成单元的多态性及性能退化问题，在分析性能退化的系统及其组成

6、单元的状态确定方法的基础上，研究了基于通用衍生函数的多态系统可靠性建模方法。可为装备复杂系统可靠性设计分析和指标的准确评价提供技术与方法支撑。1电子产品使用过程中的性能状态变化分析1．1电子产品性能状态变化的几种基本形式所有产品的故障都是由于其在使用过程中受到内外部因素的影响所导致。由于判别电子产品故障的判据是以其一个或多个性能参数或逻辑参数来表征的，因此电子产品的故障过程可以理解为其性能参数或逻辑参数偏离设计目标的状态变化过型引，其基本趋势包括以下几种情形：A、渐变的性能状态变化，例如电子设备的电性能参数随着时间的漂移，如图l所示。特征性能参数T时间图1电子设备性能参数渐

7、变的性能劣化示意图B、跳变的性能状态变化，如电过应力导致的瞬时击穿致使电子设备丧失输出信号，或互联、引脚等累积疲劳断裂造成的开路等。该性能跳变过程是一个无时间的瞬时过程，如图2所示。特征性能参数lO时间图2电子设备性能参数跳变的性能劣化示意图C、非单调的性能状态变化，如电子设备常存在的间歇性故障，是在一定的条件或激励下发生的故障。当相关条件不存在时，故障不表现出来，如图3所示。特征性能参数L阀值POT时间图3电子设备性能参数非单调性的性能劣化示意图环境与可靠性当然由于各种随机因素的影响，其性能变化还必须考虑随机离散