一种可重复运行系统的可靠性评估方法及系统

本发明属于系统退化建模及可靠性分析领域，涉及可重复运行系统退化建模及可靠性估计，特别涉及一种可重复运行系统的可靠性评估方法及系统。

背景技术：

1、可重复运行是指系统在完成一个任务周期，经过评估、分析及维护后重新承担工作任务的过程。可重复运载火箭就是一类典型的可重复运行系统。由于材料工艺限制及高可靠性的要求，运载火箭系统的一级动力系统在很长时间内都是单次使用系统，处于用后即销毁的状态。但是2015年猎鹰九号的出现改变了运载火箭的发展模式，可重复运行动力系统逐渐成为运载火箭发展的主流。

2、猎鹰9号在一个任务周期内的工作过程存在多个状态。根据任务的不同可以将系统的工作分为三个阶段：贮存阶段、运行阶段及维护阶段。一般而言系统在贮存阶段与运行阶段均会发生退化现象。在贮存阶段系统的退化主要是由材料或部件的化学老化导致，例如腐蚀、氧化、变性等。在运行阶段系统的退化则主要是由使用过程中的功能性老化导致，例如烧蚀、磨损、开裂等。系统在贮存与运行阶段退化共同作用导致发生失效，但由于不同阶段系统工作环境、工作模式及老化机制差异，其所表现的退化行为呈现出阶段相关性。同时，运行阶段工作模式，工作环境变化所产生的外部与内部冲击对系统的退化过程也产生影响。冲击不仅作用于系统的退化过程，而且会导致系统突然失效，这种冲击所导致的设备使用过程中的随机性失效行为被定义为硬失效。系统性能老化所产生的软失效与冲击作用产生的硬失效存在竞争关系，因此通常被定义为竞争失效。维护阶段则主要是检测、评估系统状态，并开展针对性的维护行为，例如修复、换件等，以此延长系统的工作时间。系统的维护行为将同时影响系统的软失效过程与硬失效过程，恢复系统的退化状态。阶段依赖退化、竞争失效及维护行为是可重复运行系统退化过程中所存在的典型特征，其也进一步增加了系统退化建模及可靠性分析的难度。因此针对存在不完美维护过程与竞争失效行为的可重复运行系统亟需一种可靠性分析与评估方法。

技术实现思路

1、为了解决现有研究所存在的不足，解决可重复运行系统退化建模及可靠性分析问题。本发明提供一种可重复运行系统的可靠性评估方法及系统，提出一个同时考虑阶段依赖退化、竞争失效与维护行为的可重复运行系统退化模型，分析了贮存、运行与维护三个阶段的影响，构建了存在周期性的阶段依赖退化模型。同时，本发明使用环境压力描述阶段差异，定量分析其对冲击强度、冲击发生概率与退化速率的影响。并且考虑了系统对冲击的抵抗力，构建分区域冲击模型描述随机与固定冲击对系统的作用效果，利用维护终止阈值与维护目标阈值来分析系统的维护行为，考虑了维护过程对系统状态与退化速率的影响。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种可重复运行系统的可靠性评估方法，包括以下步骤：

3、获取部署于系统状态监测传感器采集设备的退化数据集；

4、根据系统的工作环境、工作模式与工作状态，建立考虑阶段依赖退化、竞争失效与维护行为的模型假设；

5、基于所述模型假设，构建系统的自然退化模型和冲击退化模型，并将所述自然退化模型与所述冲击退化模型融合，得到系统的综合状态退化模型；基于所述综合状态退化模型，推导得到系统的可靠性解析计算公式；

6、利用系统部件材料特性、专家知识或经验知识、历史退化数据中的至少一种，估计得到模型参数；

7、基于所述综合状态退化模型和所述模型参数，利用所述可靠性解析计算公式计算得到系统的可靠性估计值。

8、进一步的，模型假设包括：

9、系统的寿命周期包括贮存阶段、运行阶段和维护阶段，在贮存阶段和运行阶段系统均发生退化，且运行阶段进一步区分为地面状态和空中状态；

10、贮存阶段仅存在软失效模式，运行阶段同时存在软失效模式和硬失效模式；

11、系统受到随机冲击和固定冲击两种冲击模式，随机冲击发生在运行阶段的任意时刻，固定冲击发生在运行阶段中地面状态与空中状态转换的固定时刻；

12、系统在每个周期结束时接受维护，维护行为影响系统的退化状态和退化速率；

13、设定系统的软失效过程维护阈值和硬失效过程维护阈值，当系统退化状态超过所述维护阈值时判定系统失效；设定系统的软失效过程目标维护阈值和硬失效过程目标维护阈值，维护后的系统状态需小于所述目标维护阈值。

14、进一步的，构建自然退化模型具体为：采用线性维纳过程描述系统在贮存阶段和运行阶段的自然退化，退化速率与系统所受的环境压力成正比，环境压力在不同阶段和状态下为分段函数。

15、进一步的，构建冲击退化模型具体为：基于泊松分布描述随机冲击的到达概率，泊松分布参数与环境应力相关；随机冲击的强度服从正态分布，其期望和方差与环境应力相关；固定冲击的强度服从正态分布；根据系统对冲击的抵抗力，将随机冲击划分为安全冲击和损伤冲击，安全冲击不影响退化状态，损伤冲击影响退化状态；冲击强度超过预设的损伤阈值时判定为损伤冲击；系统的硬失效采用累积冲击模型，当累积损伤冲击强度超过硬失效阈值时系统发生硬失效。

16、进一步的，所述维护行为为不完美维护，维护后的系统状态与所述目标维护阈值成比例，且退化速率转换系数和维护状态转换系数与维护次数相关。

17、进一步的，构建综合状态退化模型具体包括：根据系统经历维护次数和当前阶段，分别建立系统在贮存阶段、运行阶段地面状态和运行阶段空中状态下的退化速率与泊松过程参数表达式，并综合自然退化分量和冲击退化分量得到系统状态，综合状态退化模型如下：

18、

19、其中，为第次维护后的系统状态，为第个工作周期时间，为地面状态退化速率，为空中状态退化速率，为系统运行总时间，为损伤冲击发生次数，，为冲击强度与系统损伤之间的转换因子，为第次维护后地面状态1的冲击强度，为第次维护后空中状态的冲击强度，

k为冲击发生序号，为次维护后固定冲击2的冲击强度，为次维护后固定冲击1的冲击强度，为第次维护后地面状态2的冲击强度，为第次维护后贮存状态的冲击强度，为给定时间内的损伤冲击发生次数,与表示系统在第次维护后下一工作周期的贮存阶段工作时长,，与分别表示系统在地面-空中-地面状态的时间。

20、进一步的，推导可靠性解析计算公式包括：分阶段推导系统在单个工作周期内和多个工作周期下的软失效可靠性和硬失效可靠性，并考虑维护行为对系统状态初值和退化速率的影响，得到系统整体可靠性表达式。

21、第二方面，本发明提供一种可重复运行系统的可靠性评估系统，其特征在于，包括：

22、数据获取模块，用于获取部署于系统的状态监测传感器采集设备的退化数据集；

23、模型建立模块，用于根据系统的工作环境、工作模式与工作状态，建立考虑阶段依赖退化、竞争失效与维护行为的模型假设；

24、模型构建模块，用于基于所述模型假设，构建系统的自然退化模型和冲击退化模型，并将所述自然退化模型与所述冲击退化模型融合，得到系统的综合状态退化模型，并基于所述综合状态退化模型推导得到系统的可靠性解析计算公式；

25、参数估计模块，用于利用系统部件材料特性、专家知识或经验知识、历史退化数据中的至少一种，估计得到模型参数；

26、可靠性评估模块，用于基于所述综合状态退化模型和所述模型参数，利用所述可靠性解析计算公式计算得到系统的可靠性估计值。

27、第三方面，本发明还提供本发明提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或者全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算机可执行程序时能实现上述的可重复运行系统的可靠性评估方法。

28、同时提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现上述的可重复运行系统的可靠性评估方法。

29、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

30、本发明针对可重复运行系统可靠性评估需求，考虑其退化过程中存在的外部冲击、竞争失效及维护行为，构建了基于线性退化函数与复合泊松过程的可重复运行系统可靠性分析模型，融入了维护行为对系统软失效及硬失效过程影响，推导并分析了系统可靠性估计结果，实验结果表明基于所提出的模型可以准确估计系统可靠性，提高了保障的效率及经济性。