部件功能相关的复杂冗余系统可靠性建模方法研究

The ability of a system to complete a mission is a key index to measure to the reliability of modern system. Redundancy design with multiple component is an important way to enhance the system structure. The mechanism that a redundant system could fail is due to the failure of a certain component, through function mapping, will influence the capability for conducting the required mission. Thus, the component function dependency within a redundant system become evident. First, component sharing: for different mission system need to employ some functions which are supported by component. In some case, two distinct functions may act the same component, which cause the component working load vary so that to occur the mission completion. Second, mission uncertainty: the stochastic duration of a mission will impact the running time of a component to be random, which will violate the independent and identical distribution assumption of the common redundant system reliability model. Third, dynamic structure: when system is switching its ongoing mission, it will form a new system structure according to the health of the components, the possible mission to be conducted. Based on the above stated complexity of redundancy system, this research will establish new reliability modeling to describe those features and propose news reliability evaluating indices and their computing methods.

任务成功性是评价现代系统可靠性的重要指标，多部件冗余设计是提高系统可靠性架构的重要途径。冗余系统任务失败的机理是底层部件的失效通过影响其所支撑的功能，进而导致系统丧失完成任务的能力。冗余系统中部件的功能相依特征更为突出，具体表现为：①部件共享性，即系统执行不同任务时，需要调用相同的功能，使得支持该功能的部件被不同任务所共享，导致加载到该部件的载荷发生改变，进而影响系统完成任务的能力；②任务的不确定性，任务时长的随机性，使得其所需占用部件的时长也具有随机性，打破了常规冗余系统分析中“部件为独立同分布”假设；③系统架构的动态性，即当系统任务发生转变时，系统能够基于当前各部件的健康状态和未来可能执行的任务情况改变系统架构。本研究将基于上述冗余系统的部件功能相关特征，建立新的可靠性评价模型，给出新的可靠性评价指标及计算方法。

本项目基本按照原计划执行，在开展复杂冗余系统可靠性建模的基础上，进一步对系统维修优化及维修策略进行了研究。此外，还开展了可靠性与计算材料学的交叉研究探索。（1）紧扣“功能相关、冗余系统、可靠性建模”等主题词，开展了构建了考虑失效部件可忽略、复杂冗余备份策略、平衡机制、时间冗余等问题的系统可靠性评估模型，主要采用有限马尔可夫链嵌入法、随机过程给出了若干反映系统可靠性及任务成功率的指标计算方法，并基于蒙特卡罗仿真原理，对相应模型的准确性进行了验证；（2）结合项目负责人所工作的航空装备设计领域，针对当前最先进的综合模块化航电系统（IMA）因具备功能动态重构的特点而难以获得可靠性解析解的问题，利用Petri网仿真建模方法转译航电架构设计语言AADL所描述的功能及时序逻辑，从而实现对具有复杂冗余策略的航电系统进行可靠性定量评估的目的。（3）考虑到系统投入使用后维修策略是保证系统正常运行的主要手段的现实情况，借鉴“以可靠性为中心的维修分析（RCMA）”理念，研究基于系统可靠性指标参数确定维修时机的优化模型，同时参考ASD S4000P“服役期维修优化（ISMO）”思想，给出对航空装备预防性维修任务的初始维修间隔进行优化调整的流程及方法。（4）针对当前产品因具有高可靠性、长寿命特性造成失效数据少，导致传统的基于概率统计方法不适于对此类产品进行可靠性评估的痛点问题，结合计算材料学相关理论知识，从材料的晶粒、支晶生长导致产品功能失效的角度，利用相场动力学仿真方法给出这类产品的可靠性预测方法。.总体来看，研究成果具有一定的基础性和工程实用性，可用于相控阵雷达可靠性评估、多旋翼无人机系统可靠性设计、航电系统架构优选、航空装备维修策略制定、预防性维修任务优化以及长寿命元器件可靠性预测等应用场景。