一种设备在期望时间内完成修复概率的计算方法和系统

1.本发明属于设备故障指标量化领域，更具体地，涉及一种设备在期望时间内完成修复概率的计算方法和系统。


背景技术：

2.当装备出现某种故障现象后，首先对多个可能引起该故障现象的零部件逐一进行检查，直至找到失效的零部件，然后对该失效件采取更换备件等修理方式完成修复。当故障现象和故障原因是一对多的关系时，因失效件的不确定性，会导致每次完成修复的时间也并不相同。目前常采用平均修复时间（mean time to repair，mttr）来描述装备维修性。
3.对于海军舰船装备而言，舰员级修理是一种在海上执行任务期间、装备发生故障后在装备现场进行的修理，也是一种在修理设施、修理工具、修理人员数量和水平等方面都极为有限的修理。舰员级mttr指标对战时恢复装备作战能力至关重要，受到装备生产方和军方的高度重视。生产方采取各种措施来满足军方的mttr指标，例如采用自动测试技术帮助舰员快速找到故障原因，广泛采用模块化技术来设计装备，使得舰员能快速拆除失效件、更换备件从而修复装备。当前在使用mttr时，存在着两个较大问题：一是在落实mttr指标时，装备设计/生产方和军方大多采用“针对双方约定好的某具体故障进行mttr指标考核”的方式。这种方式的背后原因，在于不能在更一般、更广泛的情况下估计mttr，只好退而求其次，通过“实现”部分或有代表性故障的平均修复时间来“体现”装备的整体mttr性能。二是mttr的数学本质是均值，是一种在宏观、总体层面进行描述的指标，但实际上即便同一种故障现象，由于失效件不同、故障排查时间的不确定性，因此修复时间实际上是分布在某个范围内的。在实际工作中，即便知道类似“修复该故障的平均耗时46分钟”这样的结论，也仍然更希望能得到“在0.5小时内完成修复的概率有多大”这类问题的答案。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种设备在期望时间内完成修复概率的计算方法和系统，旨在解决现有技术无法预测在期望时间内完成修复的概率的问题。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种设备在期望时间内完成修复概率的计算方法，所述设备包括多个部件，所述部件的寿命均服从于对数正态分布，整个任务时间内任意时刻最多一个部件发生故障，故障排查时各部件的状态检查的次序独立不相关，该方法包括：s1.获取各部件的寿命服从的对数正态分布密度函数、状态检查消耗时间服从的正态分布和累计工作时间，获取修理各失效部件消耗时间服从的正态分布和故障发生后对所有部件的检查次序，并将设备的一段工作时期作为任务时间；s2.在任务时间内，结合各部件的累计工作时间，对其寿命服从的对数正态分布密度函数积分计算，得到任务时间内各部件发生故障的概率；s3.按照检查次序，根据任务时间内各部件发生故障的概率，计算任务时间内各部
件的修理权重系数；s4.按照检查次序，根据各部件的状态检查消耗时间服从的正态分布和修理各失效部件消耗时间服从的正态分布，分别计算修复时间分布参数数组；s5.根据任务时间内各部件的修理权重系数和修复时间分布参数数组，计算设备在期望时间内完成修复概率。
6.优选地，步骤s2包括：s21.设置部件编号；s22.计算任务时间内部件发生故障的概率：当时，；当时，；其中，表示部件的数量，表示部件的条件概率，、分别表示部件的寿命服从的对数正态分布密度函数中的对数均值和对数根方差，表示部件的累计工作时间；s23.，若，进入步骤s22，否则，进入步骤s3。
7.优选地，步骤s3包括：s31.设置部件检查序号；s32.计算任务时间内检查序号对应的部件的修理权重系数：
并按照以下方式赋值四个中间变量：，，，；其中，表示部件的数量，，表示编号为的部件任务时间内发生故障的概率，表示故障发生后对所有部件的检查次序，分别表示编号为的部件的状态检查消耗时间服从的正态分布中的均值和根方差，分别表示修理编号为的失效部件的消耗时间服从的正态分布的均值和根方差；s33.，若，进入步骤s32，否则，进入步骤s4。
8.优选地，步骤s4包括：s41.设置部件检查序号；s42.分别计算修复时间分布参数数组和；s43.，若，进入步骤s42，否则，进入步骤s5。
9.优选地，步骤s5包括：s51.设置部件检查序号，初始化设备在期望时间内完成修复概率；s52.更新设备在期望时间内完成修复概率：其中，表示任务时间内检查序号对应的部件的修理权重系数；s53.，若，进入步骤s52，否则，终止计算，输出概率。
10.优选地，该方法还包括：s6.选择多个不同的期望时间，重复步骤s5，计算得到修复时间的概率分布。
11.为实现上述目的，第二方面，本发明提供了一种设备在期望时间内完成修复概率的计算系统，包括：包括处理器和存储器；所述处理器用于存储计算机执行指令；所述处理器用于执行所述计算机执行指令，使得第一方面所述的方法被执行。
12.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明提供了一种设备在期望时间内完成修复概率的计算方法和系统，按照检测次序，确定任务时间内各部件的修理权重系数，根据各部件的状态检查消耗时间服从的正
态分布和修理各失效部件消耗时间服从的正态分布，分别计算修复时间分布参数数组，综合修理权重系数和修复时间分布参数数组，计算设备在期望时间内完成修复概率，实现在期望时间内完成修复的概率的预测，能更具体、详尽地描述装备维修性性能。
附图说明
13.图1为本发明实施例提供的一种设备在期望时间内完成修复概率的计算方法流程图。
14.图2为本发明实施例提供的分别采用仿真法和本发明方法得到的修复时间在26~280分钟范围内完成修复的概率分布结果。
具体实施方式
15.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
16.本发明涉及的设备包括多个部件，所述部件的寿命均服从于对数正态分布，整个任务时间内任意时刻最多一个部件发生故障，故障排查时各部件的状态检查的次序独立不相关。图1为本发明实施例提供的一种设备在期望时间内完成修复概率的计算方法流程图。如图1所示，该方法包括：步骤s1.获取各部件的寿命服从的对数正态分布密度函数、状态检查消耗时间服从的正态分布和累计工作时间，获取修理各失效部件消耗时间服从的正态分布和故障发生后对所有部件的检查次序，并将设备的一段工作时期作为任务时间。
17.在工程上，对数正态分布用于半导体器件的可靠性分析和某些种类的机械零件的疲劳寿命。对数正态型单元指该单元寿命服从对数正态分布，其密度函数，其中，为对数均值，为对数根方差。
18.本发明约定：（1）某装备由多个对数正态型单元组成，为便于描述，以时间来描述各单元的寿命。
19.（2）在任意时刻，至多有1个单元发生故障。当某单元发生故障时会影响装备的正常工作，装备会出现某些故障现象，此时需要进行开展修理工作。
20.（3）在进行故障确认时，对这些单元进行状态检查的次序是独立不相关的，即：不存在“必须先检查单元a、然后再检查单元b”这类对检查次序有特定要求的情况。
21.（4）已知各单元的寿命分布规律、对每个单元进行（正常与否的）状态检查所消耗时间的分布规律、修理各失效单元消耗时间的分布规律、各单元的累积已工作时间、即将执行任务的时间和某故障现象发生后对所有相关单元的检查次序。
22.本发明的相关变量约定如下：单元数量记为；对相关单元的检查次序构成了故障确认方案，按照该次序依次检查单元状态直至找到失效单元为止；为便于论述，按照检查
次序对单元进行编号，即：第个进行检查的单元其编号记为；单元的寿命服从对数正态分布；单元的累积已工作时间记为；对单元的状态检查时间服从正态分布，其密度函数；对失效单元的修复时间服从正态分布，任务时间记为。
23.步骤s2.在任务时间内，结合各部件的累计工作时间，对其寿命服从的对数正态分布密度函数积分计算，得到任务时间内各部件发生故障的概率。
24.优选地，步骤s2包括：s21.设置部件编号。
25.s22.计算任务时间内部件发生故障的概率：当时，；当时，；其中，表示部件的数量，表示部件的条件概率，、分别表示部件的寿命服从的对数正态分布密度函数中的对数均值和对数根方差，表示部件的累计
工作时间。
26.s23.，若，进入步骤s22，否则，进入步骤s3。
27.步骤s3.按照检查次序，根据任务时间内各部件发生故障的概率，计算任务时间内各部件的修理权重系数。
28.优选地，步骤s3包括：s31.设置部件检查序号。
29.s32.计算任务时间内检查序号对应的部件的修理权重系数：并按照以下方式赋值四个中间变量：，，，；其中，表示部件的数量，，表示编号为的部件任务时间内发生故障的概率，表示故障发生后对所有部件的检查次序，分别表示编号为的部件的状态检查消耗时间服从的正态分布中的均值和根方差，分别表示修理编号为的失效部件的消耗时间服从的正态分布的均值和根方差。
30.s33.，若，进入步骤s32，否则，进入步骤s4。
31.步骤s4.按照检查次序，根据各部件的状态检查消耗时间服从的正态分布和修理各失效部件消耗时间服从的正态分布，分别计算修复时间分布参数数组。
32.优选地，步骤s4包括：s41.设置部件检查序号。
33.s42.分别计算修复时间分布参数数组和。
34.s43.，若，进入步骤s42，否则，进入步骤s5。
35.步骤s5.根据任务时间内各部件的修理权重系数和修复时间分布参数数组，计算设备在期望时间内完成修复概率。
36.优选地，步骤s5包括：s51.设置部件检查序号，初始化设备在期望时间内完成修复概率。
37.s52.更新设备在期望时间内完成修复概率：
其中，表示任务时间内检查序号对应的部件的修理权重系数。
38.s53.，若，进入步骤s52，否则，终止计算，输出概率。
39.优选地，该方法还包括：步骤s6.选择多个不同的期望时间，重复步骤s5，计算得到修复时间的概率分布。
40.本发明提供了一种设备在期望时间内完成修复概率的计算系统，包括：包括处理器和存储器；所述处理器用于存储计算机执行指令；所述处理器用于执行所述计算机执行指令，使得上述方法被执行。
41.实施例：已知某部件由10个对数正态型单元组成，各单元的相关信息如表1，即将执行100小时的任务。约定发生故障后，依次按照单元序号1、3、7、8、6、2、4、5、9、10进行状态检查，直至找到失效单元后，对该单元进行修理，完成修复。采用上述方法，计算该故障发生后在180分钟内完成修复的概率。
42.表1 各单元的相关信息1）遍历计算各单元发生故障的概率，单元1至单元10单元发生故障的概率分别为：0.061、0.075、0.047、0.084、0.247、0.065、0.120、0.055、0.100、0.130。
43.2）按照上述单元检查次序，遍历计算修理权重系数为0.062、0.047、
0.122、0.056、0.066、0.076、0.085、0.251、0.102、0.132，、、、见表2。
44.3）计算修复时间分布参数数组、，结果见表2。
45.4）计算在180分钟时间内完成修复的概率为0.47。
46.表2各单元的相关指标可建立仿真模型验证上述方法的正确性，仿真模型简述如下：（1）产生个随机数，，服从单元的寿命分布规律，且要求所有的成立，则各单元的剩余寿命。
47.（2）在所有中寻找最小数，对应的序号记为，即：，。
48.（3）若成立，则本次仿真有效，按照单元检查次序，检查到单元，按照相关单元的检查时间分布规律产生对应的随机数，用于模拟其检查时间；按照单元的修理时间分布规律产生随机数，用于模拟修理该失效件的时间；所有检查时间和修理时间之和，即为本次模拟的修复时间。
49.在大量多次模拟后，可统计得到修复时间的概率分布。图2为本发明实施例提供的分别采用仿真法和本发明方法得到的修复时间在26~280分钟范围内完成修复的概率分布结果。考虑到仿真的随机性，图2表明二者的结果较为一致。仿真结果表明：该故障的平均修复时间为164.8分钟，修复时间的根方差为60.6分钟。因其修复时间的变化波动较大，以平均修复时间来开展维修管理计划等方面的工作还是过于粗略。
50.大量仿真验证结果表明：本发明方法能同时考虑装备的可靠性（各单元的寿命分布规律）、装备的健康状态（累积已工作时间）、装备基本组成单元的维修性（各单元的状态检查时间分布规律和修理时间分布规律）和任务时间等因素的影响，准确估计修复时间的概率分布，相比mttr指标，能更具体、详尽地了解装备的修理性，可用于装备设计阶段的维修性设计方案评估、装备使用阶段的维修方案优化。
51.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。