飞行器电子系统中冷热储备故障行为建模方法研究[范文]

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 本文的研究背景

随着科学技术的发展和工艺水平的提高，我国在航空航天、舰艇、核电站等领域中，设计、制造了许多高性能、高附加值的装备或产品。但同时，我们也越来越不可接受这些产品发生故障，因为这将会导致巨大的经济损失或人员伤亡等重大事故，这也意味着对产品的可靠度提出了更高的要求。

飞行器电子系统中冷热储备故障机理的分类

在实际生产应用中，增加系统可靠性的主要措施有：（1）提高系统部件的可靠度；（2）使用储备技术（也称冗余技术）；（3）措施（1）和（2）的组合使用；（4）可更换部件在发生故障后的重新更换。

由于储备部件在投入工作前后，可能会存在环境应力和工作应力的变化。这将导致系统部件的工作环境会明显被区分为不同的工作阶段，由此必然会引发故障机理的发展速率的变化。

现在国内外对储备系统的可靠性分析，大都基于部件在不同阶段内消耗的寿命（即部件所受到的损伤）是相互独立，互不影响的假设。但在现实世界中，不同阶段的损伤之间显然不是互相独立，而是存在某种相关关系的；并且随着部件在某一阶段内时间的延长，这些损伤之间的相关关系便更加不可忽视。但是，能够描述部件在不同阶段内，考虑损伤的跨阶段相关关系的相应可靠性数据，是十分难收集的。

另外，大多数文献对冷储备系统的研究，是基于冷储备部件在投入使用前不会发生功能退化和失效的假设，这显然是与实际情况不符。因此，考虑部件损伤的跨阶段相关性和冷储备部件在储备期失效的研究，对于获得更加贴近实际的储备系统可靠性是十分重要的。

1.1.2 研究意义

本论文为研究损伤的跨阶段相关性，做了有效的探索，并对冷热储备系统的建模方法进行了研究，主要体现在以下三点：

（1）考虑了同一机理在不同阶段的损伤累加关系，为理解各阶段损伤的相关关系有重要的参考意义；

（2） 将冷储备部件的故障机理分为三大类进行分析，使得对故障机理的理解更进一步；

（3）提出了以故障物理为基础的，对冷、热储备系统故障行为进行建模的方法，并通过案例分析来进一步了解冷、热储备系统的特点，并解释所提出方法的操作过程。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 冷热储备系统的特性

相较于普通系统，冷、热储备系统的可靠性问题的特殊性主要体现在系统内存在有诸多相关性，相关性主要体现在系统可靠性与部件相关性、接入顺序、储备配置、开关情况和维修策略等的相关。

（一）部件相关性

从冷、热储备元器件的定义可知，其只有在工作元器件发生故障后才开始接入系统并完成相应系统功能，这是最基础、最根本的特性。以函数表达式和循环递推的方法表示出了冷储备元器件与工作元器件的相关性，这是应用最多、最基础的一种表达形式。将储备系统划分为诸多独立状态，将部件相关性转化到状态转移概率里。以优先与门来表示储备元器件与工作元器件的相关关系，并新定义了一种顺序事件以此来将动态故障树（DFT）转化为传统的故障树（FT）。

除了储备元器件与工作元器件的相关关系，还考虑了某元器件的故障对其他非储备关系的元器件或系统的影响，即故障传播。

（二）接入顺序（SESP）

接入顺序是指在工作元器件故障后，各储备元器件投入工作的顺序。

在研究多相冷储备系统的可靠性问题中，考虑了接入顺序对系统可靠性的影响，并以遗传算法得到了使系统可靠性最大、花费最小的最优接入顺序，结果表明元器件寿命分布参数对最优接入顺序有影响，而分布类型无影响。解决了基于田口试验设计的动态参数调整的冷储备系统的接入顺序最优化问题。通过对冷、热储备元器件寿命分布作离散接近并应用遗传算法，得到了冷、热储备元器件混合使用的系统的最优接入顺序。

（三）储备配置（RAP）

储备配置是指确定储备系统中冷、热储备元器件的类型和数目。热储备元器件过多，会提前耗费储备元器件过多的寿命；而冷储备元器件过多，则会有时间延迟的问题。在实际设计中，常常同时考虑储备配置和接入顺序问题（或合称SE-DSP）。

在解决接入顺序问题的同时，也考虑了储备配置问题，发现为了保证冷、热储备元器件混存的系统可靠性，可以将更多的储备元器件置于冷储备状态。提出以二目标数学规划模型，来解决多目标、串并联的联合可用度与储备配置的最优化问题。以退火算法给出了冷、热储备元器件同时存在时，使系统可靠性最高的系统配置最优解。

（四）开关情况

开关是检测、监视工作元器件是否正常工作，并在工作元器件发生故障时，将储备元器件接入系统的部件。开关完好与否是决定储备元器件是否能够正常连入系统，并发挥储备作用的关键。开关的情况可根据其寿命分布情况分为三种，开关完好、0-1型开关和连续型开关。

考虑了每个储备元器件开关是0-1型且概率不同，和任务定期备份的情况，提出了结合状态转移矩阵和多值决策图（Multi-valued Decision Diagram, MDD）来分析冷储备系统可靠性的的方法。考虑了开关寿命分布在上述三种情况下，系统可靠性的基本数学模型。考虑了在开关的检测功能不完美，即工作元器件正常但检测结果为故障（假阳性）和工作元器件故障但检测为正常（假阴性）的两种情况下，系统可靠度的分析方法；发现当只有一个冷储备元器件时，假阴性对可靠性无影响，假阳性对可靠度影响复杂，其特性还需结合寿命分布进一步分析。

以上五种相关性，大体描述了冷、热储备系统的可靠性问题的主要特点，同时也是建模的难点。值得注意的是，中提到了一种“储备安全系统”（Standby Safety System），这类系统是指当主系统发生故障或失误时，可能会造成重大事故损失，如核电站爆炸、化工产品泄露等，这时需要“储备安全系统”来引导主系统进入安全状态或停止工作的系统。这类系统仅在主系统故障时才起作用，属于冷储备系统，不过与传统意义上的相比，它的输出功能与主系统可能不同。更值得注意的是，对它的分析主要考察其在储备期的故障情况及可用度。这与绝大多数研究中冷储备元器件在储备期不失效的假设不同，但对此类系统的分析往往不考虑其工作之后的可靠度情况。

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