復雜系統(tǒng)動態(tài)故障樹分析的新方法及其應用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工程系統(tǒng)的大型化、復雜化以及高新技術的引入，系統(tǒng)可靠性已經成為制約復雜系統(tǒng)發(fā)展的關鍵所在?？煽啃苑治黾夹g作為實施系統(tǒng)可靠性工程的關鍵基礎技術，目前正面臨著復雜系統(tǒng)所帶來的若干技術難點和應用挑戰(zhàn)。針對復雜系統(tǒng)的可靠性分析技術已經成為可靠性工程領域的研究熱點及難點問題之一。系統(tǒng)可靠性分析常規(guī)方法主要包括：可靠性框圖法、故障模式影響及危害性分析法、故障樹分析法、Petri網方法以及蒙特卡洛數(shù)值仿真方法等。常規(guī)方法通常不考慮系統(tǒng)的動態(tài)失

2、效特性，且多數(shù)建立在零部件故障相互獨立和故障數(shù)據(jù)完備的基礎之上。在實際復雜工程系統(tǒng)中，零部件失效之間通常并不是相互獨立的，往往存在著多種復雜的關聯(lián)關系和動態(tài)特性，比如部件失效的順序關系。另一方面，由于成本、時間、管理和人因等多方面的原因導致零部件失效數(shù)據(jù)存在模糊不確定性。目前，在考慮動態(tài)失效特性的故障樹分析方面已取得了一定成果。然而，在同時考慮模糊不確定性以及動態(tài)失效特性等情況下的故障樹分析方面的研究工作還很缺乏，以致用常規(guī)方法分析所得

3、結果與實際情況不符甚至相差甚遠。因此，迫切需要開展考慮零部件動態(tài)失效特性和模糊不確定性的系統(tǒng)可靠性分析方法的研究。
　　針對上述問題，本文主要開展了以下研究工作：
　?。?）基于模糊馬爾科夫模型的動態(tài)故障樹分析方法。馬爾科夫模型方法是一種狀態(tài)空間分析方法，用該模型能夠準確地描述失效分布與維修分布都服從指數(shù)分布的系統(tǒng)的失效及維修過程。本文在基于馬爾科夫模型的基礎上，考慮了零部件失效信息的模糊不確定性，研究了在模糊失效率下的動態(tài)

4、故障樹分析方法。通過建立系統(tǒng)的動態(tài)故障樹模型，并運用三角模糊數(shù)來描述零部件和系統(tǒng)的失效率，通過已經得到的動態(tài)故障樹模型建立系統(tǒng)失效過程的模糊馬爾科夫模型。運用模糊理論中擴展原理的思想和 Laplace-Stieltjes變換求解該模型，得到系統(tǒng)在給定時刻下的模糊失效概率和給定隸屬度下的模糊可靠度曲線。最后應用該模糊馬爾科夫模型對某數(shù)控加工中心液壓系統(tǒng)進行可靠性建模與分析。研究結果表明，該方法能夠有效地對具有動態(tài)失效特性和模糊不確定性的系

5、統(tǒng)進行可靠性建模及定量評估。
　?。?）基于離散時間貝葉斯網絡的動態(tài)故障樹可靠性評估模型。研究了基于貝葉斯網絡和動態(tài)故障樹的系統(tǒng)可靠性建模和評估方法。通過把系統(tǒng)失效的動態(tài)故障樹模型轉化為貝葉斯網絡模型，并運用貝葉斯網絡的拓撲結構來表達系統(tǒng)中部件失效之間的邏輯關系。針對基于馬爾科夫模型的動態(tài)故障樹求解方法中存在的狀態(tài)爆炸問題，借助貝葉斯網絡的條件獨立性來降低模型求解的復雜度。在此基礎上，建立了靜態(tài)和動態(tài)故障樹中各種邏輯門的條件概率分

6、布的公式，以實現(xiàn)對系統(tǒng)失效過程及其動態(tài)特性進行建模和分析。以衛(wèi)星太陽翼驅動機構為對象，建立了動態(tài)故障樹模型和相應的貝葉斯網絡模型，并運用聯(lián)合樹推理算法對該模型進行了雙向概率推理。實例分析結果表明：該方法能夠有效地解決具有動態(tài)失效特性的復雜系統(tǒng)的可靠性分析和評估問題。
　?。?）模糊數(shù)據(jù)下基于連續(xù)時間貝葉斯網絡的動態(tài)故障樹分析方法。研究了考慮模糊不確定性的基于連續(xù)時間貝葉斯網絡的系統(tǒng)可靠性建模與分析方法?；谶B續(xù)時間貝葉斯網絡模型的

7、方法能夠直接得到系統(tǒng)的可靠度和失效概率的解析表達式。本文用三角模糊數(shù)描述零部件的失效率，并用其來構造零部件的模糊邊緣失效密度函數(shù)及模糊失效分布函數(shù)。用單位階躍函數(shù)和沖激函數(shù)來構造貝葉斯網絡中非根節(jié)點失效事件的條件概率密度函數(shù)和分布函數(shù)。在此基礎上，推導了在模糊失效率下的幾種典型的故障樹邏輯門輸出事件發(fā)生的模糊邊緣失效密度函數(shù)和模糊失效分布函數(shù)的表達式。最后，運用算例驗證了該方法的正確性和有效性，并通過對大型礦用挖掘機電氣系統(tǒng)整流回饋子系

8、統(tǒng)的建模與分析闡述了該方法在實際工程系統(tǒng)中的應用。
　?。?）考慮共因失效的動態(tài)故障樹分析方法。運用故障樹分析方法對具有共因失效的系統(tǒng)進行了可靠性分析。闡述了當前共因失效研究中的一些經典模型和建模方法，運用顯式建模方法與平方根模型對某動車組追尾事故進行了故障樹分析。分別計算了考慮共因失效和假設部件失效獨立兩種情況下的系統(tǒng)失效概率。結果表明：不考慮共因失效因素的影響會對可靠性分析結果帶來較大的誤差，說明了共因失效對于交通工具這種重要