一种系统维修率确定及优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种系统维修率确定及优化方法，其特征在于，为了解含有储备元件且元件失效率受工作环境影响时，为保证系统可用度而采取的维修率，将该系统使用动态故障树表示，使用空间故障树理论确定其元件失效率分布，进而确定元件维修率的分布；提出系统运行中，期望达到的三种优化状态，并使用该方法对达到这三种状态时的元件维修率分布进行确定；其包括如下步骤：在设定系统可用度TA=0.8，工作域（工作环境条件变化范围），并通过空间故障树确定系统元件故障率和后，确定在三种系统优化目标下元件故障率和分布；本发明专利技术可用于系统维修率确定及优化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及安全系统工程，特别是涉及系统维修率确定及优化。
技术介绍
实际中，一般希望系统在宏观上达到一定的目标，如系统的可靠性、可用性、故障率、总维修费用等。系统宏观目标的实现，难以从系统的总体层面来保证，应通过对组成系统的基本元件参数进行控制来保证系统的目标，这些参数包括:元件的失效率、维修率、维修成本等。如元件失效率这样的参数是元件本身性质决定的，使用者无法改变；而维修率是可以在工作中调整的，即可通过维修率的调整达到系统的某些宏观目标。对于元件失效率一般情况下是一个定值，但是实际上很多元件失效率受到工作环境的影响，即是变失效率，如温度，工作时间，气压等。另一个问题是现代的系统为保证可靠性都会采取备件策略。那么在考虑上述问题后如何确定系统中元件维修率，从而保证系统宏观目标的实现就成为了问题。对于确定系统维修率的研究目前主要有:陈进源等的劣化系统最优维修策略:基于推广累积冲击模型；陈霁恒等的基于遗传算法和满意度函数的武器系统维修性分配规划问题研究；王艳禹等的两部件两修理工冷贮备系统维修更换策略；葛阳等的故障交互条件下系统维修间隔期决策等。对于含有备件系统的可靠性描述目前多使用动态故障树，如张文韬等等基于动态故障树的CTCS-3级ATP系统可靠性分析；张志英等的基于动态故障树的导弹驾驶仪系统可靠性分析；冯雪等的基于动态故障树的计算机联锁系统可靠性及性能分析研究；戴志辉等的基于动态故障树与蒙特卡罗仿真的保护系统动态可靠性评估；武文斌等的基于改进的动态故障树的惯导系统安全性分析；张晓洁等的基于动态故障树的卫星系统可靠性分析。但是考虑元件变失效率且系统含有备件的情况下，为达到系统宏观目标而确定元件维修率的相关研究还未出现。方法提出使用空间故障树理论表示元件的变失效率，使用动态故障树理论表示含有备件系统结构及系统宏观目标与元件参数的联系，从而得到满足要求的元件维修率分布。并针对实际中三种情况下系统性能期望得到了对应的元件维修率分布。
技术实现思路
1空间故障树空间故障树(SpaceFaultTree，SFT)是在2012年提出的，截止目前已经取得了一些研究成果。空间故障树的基本理论认为系统工作于环境之中，由于组成系统的基本事件或物理元件的性质决定了其在不同条件下工作的故障发生概率不同。例如，如电气系统中的二极管，它的故障概率就与工作时间、工作温度、通过电流及电压等有直接关系。如果对这个系统进行分析，各个元件的工作时间和工作适应的温度等可能都不一样，随着系统整体的工作时间和环境温度的改变，系统的故障概率也是不同的。这种现象是实际存在的，但是往往是被忽视的，而认为故障概率恒定不变。使用SFT表示系统中元件的变失效率。为了清晰的描述SFT理论和下面的分析过程，列出必要SFT相关内容和被分析系统的例子。就简单的电气系统进行论述，该系统由二极管组成，二极管的额定工作状态受很多因素影响，其中主要的是工作时间t和工作温度c。针对由这两个因素影响的电气系统作为研究对象。相关定义如下:1)空间故障树(或多维空间事故树):基本事件的发生概率不是固定的，是由n个因素决定的，这样的事故树称为多维事故树，用T表示。2)基本事件的影响因素:使基本事件发生概率产生变化的因素。在本例中，t表示时间因素，c表示温度因素。3)基本事件的发生概率的特征函数(特征函数):基本事件在单一影响因素影响下，随影响因素的变化表现出来的发生概率变化特征。其可以初等函数，分段函数等，用表示，i表示第i个元件，x代替影响因素。如本例第i个原件的时间特征函数及温度特征函数其中，t为元件使用时间，λ为单元故障率，A为温度变化分为。4)基本事件的发生概率空间分布:基本事件在n个影响因素影响下，随他们的变化在多维空间内表现出来的发生概率变化。n个影响因素作为相互独立的自变量，基本事件发生概率作为函数值。用Pi(x1，x2，…xn)表示，即其中n为影响因素个数，本例中为2动态故障树动态故障树法是20世纪90年代由J.B.Dugan教授为分析空间站和空中交通控制系统的可靠性而提出的一种分析具有动态随机性故障特点的系统可靠性的方法。动态故障树法是在故障树的基础上引入动态逻辑门，如冷储备门、热储备门、顺序相关门、优先与门等，用于表征系统的冷储备、热储备、可修复、资源共享等动态特性。这里采用马尔科夫状态转移矩阵方法来处理问题，包括解析法和矩阵迭代法。在计算简单系统的可修可靠性指标时，采用解析法；在计算较复杂系统时，尤其是求解系统的可靠度和故障频度时应用矩阵迭代法。解析法是根据逻辑门的特点，建立基于马尔科夫状态转移图的方程组，结合逻辑门的特点，推导可得可靠性指标的表达式，直接套用计算可靠性指标的方法。矩阵迭代法是依据系统的初始概率矩阵与系统状态转移矩阵相乘迭代，求解给定时刻系统所处不同状态的概率，结合不同逻辑门的特点区分系统的正常工作概率、故障状态概率。最后利用整个动态故障树模型来评估系统的各可靠性指标。λ是失效率，μ是维修率。各逻辑门的功能分别是:与门:当且仅当门的输入事件X，Y都发生时，门的输出事件Z发生；或门:当门的输入事件X1，X2，X3至少有1个发生，门的输出事件Z发生；冷储备门:主输入事件X处于工作状态，备用设备Y处于冷备用状态，仅当主备设备都故障时，门的输出事件Z发生；热储备门:主输入事件X处于工作状态，备用设备Y处于热备用状态，仅当主备设备都故障时，门的输出事件Z发生。3系统中元件的维修率确定首先给出所研究的动态故障树，如图1所示。3.1X1和X2子树求解X1子树模块是元件的热备组合，元件的失效率为λ，维修率为μ.定义其状空间:状态0表示2个模块都正常工作，系统正常工作；状1表示2个模块中，一个失效在维修，另一个模块正常工作，系统正常工作；状态2表示2个模块都失效，一个模块在修理，另一个模块待修，系统失效。根据概率结合热储备门的特点，推导得各可靠性指标的表达式如式(1)式(1)中，可用度A表示系统达到稳定运行状态时可用的概率。故障频度是M(t)是指[0,t]时间内系统的平均故障次数，即为单位时间内系统的故障频率。平均开工时间MUT、平均停工时间MDT。X2求解过程与X1相同。3.2T的求解系统T通过或门连接下层事件。定义状态空间为:状态0为2个模块都正常，系统正常工作；状态1为X1子树模块故障在修理，X2子树模块正常，T失效；状态2为X2子树模块故障在修理，X1子树模块正常，T失效.其状态转移图如图2所示。根据概率结合或门的特点，推导得各可靠性指标的表达式如式(2)所示。式中，Λ＝λ1+λ2。3.3给定系统可用度后元件维修率分布确定设系统可用度TA＝0.8，求μE1E2和μE3E4，由于E1和E2是X1的热储备事件，用μE1E2表示E1和E2的维修率(元件X1的维修率)，μE3E4同理定义。由式(2)中A＝TA的可用度可知，其中表示X1在具有热储备情况下(E1→E2)失效率，同理定义；表示X1在具有热储备情况下(E1→E2)维修率，同理定义。又知其中MUTE1E2表示E1和E2的平均工作时间，MDTE1E2表示E1和E2的平均停工时间，根据式(1)，得式中λE1E2表示E1和E2的维修率(元件X1的维修率)，λE3E4同理定义。为解上述问题，引入变量k,考本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统维修率确定及优化方法，其特征在于，为了解含有储备元件且元件失效率受工作环境影响时，为保证系统可用度而采取的维修率，将该系统使用动态故障树表示，使用空间故障树理论确定其元件失效率分布，进而确定元件维修率的分布；提出系统运行中，期望达到的三种优化状态，并使用该方法对达到这三种状态时的元件维修率分布进行确定；其包括如下步骤：在设定系统可用度TA＝0.8，工作域(工作环境条件变化范围)A总＝{t∈[0,100]天∩c∈[0,50]℃}，并通过空间故障树确定系统元件故障率λE1E2和λE3E4后，确定在三种系统优化目标下元件故障率μE1E2和μE3E4分布；本专利技术可用于系统维修率确定及优化。

【技术特征摘要】
1.一种系统维修率确定及优化方法，其特征在于，为了解含有储备元件且元件失效率受工作环境影响时，为保证系统可用度而采取的维修率，将该系统使用动态故障树表示，使用空间故障树理论确定其元件失效率分布，进而确定元件维修率的分布；...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔铁军，李莎莎，赫飞，王来贵，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21