民機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)任務(wù)可靠性指標(biāo)分配方法研究

摘 要:民用飛機(jī)的任務(wù)可靠性指標(biāo)分配受到經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境因素、技術(shù)條件、可靠性數(shù)據(jù)缺乏等諸多因素的影響，因此，在進(jìn)行民機(jī)任務(wù)可靠性指標(biāo)分配時(shí)，必須綜合考慮各方面的因素。本文首先將經(jīng)濟(jì)性作為民機(jī)任務(wù)可靠性指標(biāo)分配的影響因素之一，在專家評分法的基礎(chǔ)上，提出了一種民機(jī)系統(tǒng)任務(wù)可靠性指標(biāo)分配的新方法，并通過實(shí)例分析證實(shí)了該方法的實(shí)用性和精確性。

關(guān)鍵詞:民用飛機(jī) 任務(wù)可靠性 指標(biāo)分配 經(jīng)濟(jì)性 專家評分

中圖分類號:TG659文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)11(c)-0002-02

系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配，是指將型號研制任務(wù)書中規(guī)定的可靠性指標(biāo)，按一定的方法和程序，自上而下，逐級分配給個系統(tǒng)、分系統(tǒng)和機(jī)載設(shè)備[1]。可靠性指標(biāo)分配，包括基本可靠性指標(biāo)分配和任務(wù)可靠性指標(biāo)分配?；究煽啃灾笜?biāo)分配技術(shù)比較成熟，常用的分配方法有等分配法、評分分配法、比例組合法等。而任務(wù)可靠性需要考慮到各種任務(wù)剖面的情況，其指標(biāo)分配技術(shù)目前尚不成熟。對于簡單冗余系統(tǒng)，一般可采用考慮重要度和復(fù)雜度的分配法、拉格朗日數(shù)乘法等。對于一般混聯(lián)系統(tǒng)，工程上通常采用比例組合法與評分分配法相結(jié)合的工程化方法[2]。然而，在缺少先驗(yàn)數(shù)據(jù)和類似參考機(jī)型數(shù)據(jù)的情況下，對于串、并、旁聯(lián)等混合復(fù)雜系統(tǒng)的任務(wù)可靠性指標(biāo)的分配，目前還沒有一個很好的方法。

對于民用飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)的任務(wù)可靠性指標(biāo)分配，之所以存在很大困難，主要是以下三個方面的影響:1)民用飛機(jī)可參考或借鑒的可靠性數(shù)據(jù)較少。目前的分配方法都是基于大量歷史數(shù)據(jù)或類似參考機(jī)型之上，然而，由于我國民用飛機(jī)，尤其是大型商用飛機(jī)的研制正處于起步階段，可借鑒的數(shù)據(jù)非常有限，國外波音或空客公司雖然有大量的可靠性數(shù)據(jù)，但國內(nèi)卻無法獲取這些數(shù)據(jù)。2)經(jīng)濟(jì)性對民用飛機(jī)可靠性指標(biāo)分配影響較大。由于民用飛機(jī)主要用于商業(yè)運(yùn)營，因此經(jīng)濟(jì)性是民用飛機(jī)不同于一般裝備研制的一個重要約束條件，雖然目前常用的評分分配法已經(jīng)考慮到產(chǎn)品的復(fù)雜度、技術(shù)水平、環(huán)境條件等特點(diǎn)，但沒有考慮到經(jīng)濟(jì)性對民機(jī)可靠性指標(biāo)的影響。3)如何將并、旁聯(lián)等影響任務(wù)可靠性的因素具體體現(xiàn)到指標(biāo)分配中。任務(wù)可靠性模型一般并非單純的大串聯(lián)模型，因此，對于任務(wù)可靠性指標(biāo)的分配，僅僅考慮復(fù)雜性、環(huán)境條件等一般影響因素是不夠的，需將任務(wù)可靠性模型本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)體現(xiàn)到最終指標(biāo)分配中。

本文首先引入經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)作為民機(jī)系統(tǒng)任務(wù)可靠性指標(biāo)分配的因素之一，運(yùn)用專家評分法計(jì)算各影響因子權(quán)重，然后在系統(tǒng)任務(wù)可靠性模型的基礎(chǔ)上，對各影響因子進(jìn)行參數(shù)修正，形成最終可靠性分配因子，并建立系統(tǒng)任務(wù)可靠性分配模型，進(jìn)行任務(wù)可靠性指標(biāo)分配。最后以實(shí)例驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性。

1可靠性分配影響因素分析

1.1 影響因素分析

對于民用飛機(jī)可靠性指標(biāo)分配，考慮以下5種影響因素。

a)系統(tǒng)重要度

根據(jù)子系統(tǒng)故障造成整個系統(tǒng)故障的概率來評定。對于系統(tǒng)重要度高的產(chǎn)品，應(yīng)分配較高的可靠性指標(biāo)。

b)系統(tǒng)復(fù)雜度

根據(jù)組成系統(tǒng)的下一層單元的數(shù)量來評定。對于復(fù)雜度高的分系統(tǒng)、設(shè)備等，應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。

c)技術(shù)成熟度

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)評定設(shè)備發(fā)生故障的可能性，系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展水平按組成系統(tǒng)的各分系統(tǒng)或設(shè)備的評分結(jié)果權(quán)衡確定。對于技術(shù)上不成熟的產(chǎn)品，應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。

d)環(huán)境條件

根據(jù)設(shè)備所處的環(huán)境來評定，經(jīng)受的環(huán)境條件越嚴(yán)酷，發(fā)生故障的可能性越大。對于惡劣環(huán)境條件下工作的產(chǎn)品，應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。

e)經(jīng)濟(jì)重要度

根據(jù)子系統(tǒng)故障給整個系統(tǒng)造成的經(jīng)濟(jì)損失的相對大小來評定。經(jīng)濟(jì)重要度越大，表明該系統(tǒng)發(fā)生故障給整個系統(tǒng)造成的經(jīng)濟(jì)損失越大，應(yīng)分配較高的可靠性指標(biāo)。

1.2 影響因素權(quán)重計(jì)算方法

由于缺乏有效的可靠性數(shù)據(jù)資源，可以采用專家評分的方法對各影響因素的權(quán)重進(jìn)行確定。分值范圍為1～10，需分配高可靠性指標(biāo)的子系統(tǒng)，應(yīng)打高分，水平最高的打10分;需分配低可靠性指標(biāo)的子系統(tǒng)，應(yīng)打低分，水平最低的打1分。

子系統(tǒng)的評分值為:

(1)

式中，為子系統(tǒng)的評分值;為第個分系統(tǒng)，第個因素的評分值;=1，2，3，4，5分別表示系統(tǒng)重要度，系統(tǒng)復(fù)雜度，技術(shù)成熟度，環(huán)境條件，經(jīng)濟(jì)重要度。

進(jìn)行歸一化處理:

(2)

式中，為子系統(tǒng)的影響因素的權(quán)重。

2 系統(tǒng)任務(wù)可靠性指標(biāo)分配因子確定

對于民機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)，根據(jù)其功能原理圖，建立其任務(wù)可靠性模型。設(shè)某民用飛機(jī)系統(tǒng)由個子系統(tǒng)串、并、旁聯(lián)等混聯(lián)組成，其任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型如下:

(3)

式中，為系統(tǒng)任務(wù)可靠度，為子系統(tǒng)任務(wù)可靠度。

若不考慮各子系統(tǒng)的故障發(fā)生概率與環(huán)境等影響因素，只考慮各子系統(tǒng)對系統(tǒng)任務(wù)完成情況的影響，可以將結(jié)構(gòu)重要度作為系統(tǒng)任務(wù)可靠度分配的任務(wù)參數(shù)對公式(2)得出的影響因子進(jìn)行修正，并以修正后的結(jié)果作為最終任務(wù)可靠性指標(biāo)分配因子。

結(jié)構(gòu)重要度，可以定義為[2]:

(4)

式中:，代表子系統(tǒng)故障而引起系統(tǒng)故障的總次數(shù)。

結(jié)構(gòu)重要度的具體計(jì)算方法可見參考文獻(xiàn)[2]。對于一般系統(tǒng)，由于其計(jì)算過程過于復(fù)雜，且理論證明[6]，結(jié)構(gòu)重要度與概率重要度之間存在關(guān)系如下:

因此，可以借助概率重要度快速計(jì)算結(jié)構(gòu)重要度。

則任務(wù)參數(shù)為:

(5)

將公式(2)與(5)相乘，并取倒數(shù)，得出:

(6)

歸一化處理:

(7)

則上式中，即為子系統(tǒng)的任務(wù)可靠度指標(biāo)分配因子。

3 任務(wù)可靠性分配模型

假設(shè)組成系統(tǒng)的各子系統(tǒng)故障服從指數(shù)分布。

設(shè)子系統(tǒng)的任務(wù)可靠性指標(biāo)分配值為，令，代入式(3)，得到方程如下:

(8)

通過計(jì)算機(jī)或數(shù)字逼近的方法，求解式(8)，得出精確值，即可求出系統(tǒng)的任務(wù)可靠性指標(biāo)分配值如下:

(9)

4 算例分析

某民用飛機(jī)系統(tǒng)由，，，，五個子系統(tǒng)串、并聯(lián)組成，且各子系統(tǒng)故障服從指數(shù)分布，其任務(wù)可靠性框圖見圖1，系統(tǒng)在一次平均飛行時(shí)間內(nèi)任務(wù)可靠度為99.65%，試將此指標(biāo)分配給各子系統(tǒng)。

根據(jù)可靠性框圖，得出系統(tǒng)任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型為:

(10)

用專家評分法對各子系統(tǒng)打分，見表1。

將各分值歸一化處理:

0.2379，0.3855，0.1586，

0.0694，0.1487

由式(5)得任務(wù)參數(shù)為:

，，，，

則由式(6)和(7)計(jì)算任務(wù)可靠性指標(biāo)分配因子為:

0.05555，0.03428，0.24996，0.57134，0.08887

5 結(jié)語

本文將經(jīng)濟(jì)性重要度作為影響民用飛機(jī)系統(tǒng)任務(wù)可靠度的經(jīng)濟(jì)影響因素，鑒于民機(jī)可靠性數(shù)據(jù)匱乏的特點(diǎn)，采用專家評分的方法，對系統(tǒng)重要度、系統(tǒng)復(fù)雜度、環(huán)境條件和技術(shù)水平等各類影響指標(biāo)分配的因素進(jìn)行綜合分析后，提出了一種民用飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)任務(wù)可靠性指標(biāo)分配方法，并通過實(shí)例分析顯示該方法簡便實(shí)效、精度高，有理論價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。

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