基于模糊評判模型的民機可靠性分配方法研究

鄭慶

【摘 要】利用模糊理論基礎及分析方法，綜合考慮民機研制中模糊和不確定因素對可靠性分配結果的影響，從評價集設置、因素權重值賦值等方面，建立了模糊可靠性分配的數學模型，提出一種模糊評判矩陣方法來確定影響民機可靠性因素的權重。

【關鍵詞】模糊評判；可靠性分配；飛機研制

0 引言

隨著科學技術的高速發展以及各種新型復雜系統的建立，經典可靠性的傳統研究方法與系統復雜化的矛盾日益突出。模糊理論與技術能夠較好地描述與仿效人的思維方式，總結和反映人的體會與經驗，對復雜事物和系統可以進行模糊度量、模糊識別、模糊推理、模糊控制與模糊決策?？煽啃栽诿裼蔑w機的設計、制造、使用和維護中占有重要地位，是民機設計的重要質量特性之一，影響飛機的安全使用和經濟性。

在飛機可靠性分析工作中，包括可靠性參數定義和指標、可靠性預計與分配、可靠性設計、可靠性評估等都存在著許許多多模糊不確定和小樣本的信息，經典的可靠性理論并不是非常適用，但也有部分在可靠性預計與分配方法中運用到評分、權重、影響因素等模糊理論方法。本文綜合運用模糊理論并充分考慮民機研制過程中可靠性工作的特點，提出一種基于模糊評判模型的民機可靠性分配方法，為民用飛機可靠性的最優分配提供科學依據。

1 民機模糊可靠性

1.1 可靠性概念的模糊性

傳統的可靠性觀念建立在二值邏輯基礎之上，它反映了人類的精確思維方式。但是，人類除了可以進行精確思維之外，還可以進行模糊思維。而后者在人類的思維活動中占主導地位。表現在飛機可靠性方面，人們除了關心“飛機的可靠性（指標）是多少？”（用精確數字回答）之外，更習慣于這樣一些提問： “飛機的可靠性高不高？飛機的安全性好不好？飛機可靠性很高的可能性有多大？”可靠性設計的目的是使設計產品性能好、效率高、成本低、壽命長、安全可靠、使用維護方便、運轉平穩等。這里的“好一壞”、“高一低”、“長一短”、“危險一安全”、“方便一麻煩”、“平穩一不平穩”等都是模糊概念。

1.2 故障狀態的模糊性

在經典可靠性理論中，對系統狀態作有二值狀態假設，即系統只有兩種狀態，要么完全正常，要么完全故障（失效）。從而系統性能指標的取值范圍被劃分為截然不同的兩部分，一部分標志系統完好，另一部分標志系統故障，然后根據系統的實際可靠性指標值落入哪一部分判斷系統故障與否。顯然這種劃分在許多情況下嚴重脫離工程實際。

實踐表明，在飛機系統工程中，由于耗損所引起性能下降最終導致故障的現象是極為普遍的，例如，航空發動機葉片因微裂紋的擴展而斷裂進入失效狀態。在進入失效狀態之前，葉片經歷了一個完好到失效的過渡過程，即從完好到出現裂紋，從裂紋擴展到完全斷裂，存在一發展過程，在這個過程中，葉片既不是完好，又不是完全斷裂，其狀態是模糊的。又如，飛機液壓系統因漏油而進入故障失效狀態。在此之前，液壓系統就經歷了一個從完好到故障的過渡狀態。即開始滲漏，到滲漏增大，直到滲漏超限而被判為故障狀態。像這樣的從完好到故障的現象，對立的兩極是通過一系列的中介狀態相互聯系、相互滲透、相互轉化的，中介過程呈現出“亦此亦彼”的模糊狀態[1]。

飛機自身結構的復雜、飛行環境的惡劣、飛行循環次數多都會造成飛機結構和設備疲勞、磨損和蠕變，如電氣設備絕緣的老化，電子設備的參數漂移，液壓系統的油污染等。此時存在著模糊故障狀態，而離散有限狀態假設是不成立的，應該以模糊狀態假設替代之。所謂模糊狀態假設是指故障判據是模糊的，即在任一時刻，系統在某種程度上處于模糊正常狀態，又在某種程度上處于模糊故障狀態。

1.3 可靠性數據的模糊性

經典可靠性理論應用概率方法是建立在大樣本存在的前提上的。而飛機系統復雜，集成度高，不可能通過大量的試驗來獲取可靠性數據，而且使用中的可靠性數據也相對較少，收集到的數據本身具有模糊性。

在常見的飛機可靠性分析方法中，例如評分分配法、評分預計法、小樣本可靠性分析法、無故障可靠性分析法等都用到一個重要的數據源就是專家經驗，經驗是以模糊不確定的方式出現；相似產品法、應力分析法、故障率預計法、統計回歸法等引入了修正系數，但因航空產品的復雜性，修正系數較難精確確定（這往往是模糊決策的問題）。雖然上述方法多多少少引入了模糊概念，但所運用的數學工具是精確數學，無法充分運用模糊信息，所以有較多的應用限制。

1.4 可靠性影響因素模糊性

可靠性是指產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力。“規定條件”包括使用時的環境條件和工作條件，如溫度、濕度、振動、沖擊、輻射等環境條件，使用時的應力條件，維護方法，存儲時的儲存條件，使用維修時對操作維修人員的技術等級要求等。這些條件沒法用一個精確的數字來概括，通常是設定一個大概的取值范圍來反映條件的好壞。更有甚者，只用使用環境“好”、“差”；維修力量“強”、“弱”等模糊評價。

比如，在民機簽派可靠性研究中，對其影響因素進行分析時，包括：固有可靠性、可靠性方案、維修力量及方案、機場基礎設施、備件支援力量、航空公司運營管理水平等因素。上述大部分因素與人有關，人的思維更偏向于模糊性，因素自身內部又有很多復雜的縱橫交錯，再加上許多因素加在一起，更加造成了簽派可靠性的模糊性。

1.5 可靠性分析假設的模糊性

在經典的可靠性分析理論中，為了簡化計算方便，常常會有假設前提。

1）在可靠性試驗中，總假設試驗條件與實際工作所處的自然條件一樣，然而試驗手段受客觀條件的限制而造成測試結果的不完全正確所產生的不確定性；

2）在可靠性數據統計分析時，常得到定數截尾、定時截尾、不完全數據等，這樣用有限的試驗樣本代替無限樣本所產的可靠性數據不確定性；

3）在可靠性建模時，會對模型進行簡化，假設單元屬于某種可靠性連接模型，由此也會產生模型信息的不確定性；

4）在可靠性數學分析時，常常會假設某單元壽命服從指定的數學分布形式，或通過統計學分析其分布規律再近似可靠性參數服從某種數學分布。這些都會對分析結果產生模糊性。

總的來講，在飛機研制及使用可靠性工作中，存在各種模糊不確定信息。這些模糊性對系統的可靠性的影響有時甚至比由于變量本身固有的隨機性帶來的影響更為重要。但由于這些模糊性有許多是未知的、無法量化的或變化規律不清楚（信息不全）的，用經典可靠性理論和方法進行描述是非常困難，也不符合實際。而設計者又必須在這些不完善的條件下進行決策和設計，必須借助新的工具，建立新的可靠性觀念和方法，以擺脫目前的困境。為此模糊理論不可避免地進入可靠性領域。

4 結論

可靠性分配的本質是一個工程決策過程，是一個綜合權衡優化的問題。由于決策過程本身的復雜性，以及影響飛機可靠性的因素大多具有模糊性和不確定性，使得使用傳統的可靠性分配方法難以得出科學客觀的結果?；谝陨蠁栴}，本文提出一種基于模糊綜合評判模型的民機模糊可靠性分配方法，應用模糊評判理論，并充分考慮了各種可靠性影響因素及模糊性，其核心是應用模糊決策理論方法評估部件之間的相對可靠性系數，使得分配結果更準確真實，為為民機研制過程中從系統級到子系統級進行客觀、合理的可靠性分配提供科學依據，從而確保新研制的民用飛機具有高的可靠性。

【參考文獻】

[1]趙德孜.機械系統設計初期的可靠性模糊預計與分配[M].北京：國防工業出版社.

[2]Ayag Z. An integrated approach to evaluating conceptual design alternatives in a new development environment[J]. Journal of Production Research， 2005， 43（4）： 687-713.

[3]趙德孜，溫衛東. 基于模糊綜合評判的航空發動機可靠性分配方法[J].航空發動機，2005，3（1）：22-27.

[4]邵旭飛，宋保維，毛昭勇，等.串聯系統可靠性分配的模糊層次分析方法[J].彈箭與制導學報，2007，27（1）：250-253，256.

[5]Vanegas L V， Labib A W. Fuzzy approaches to evaluation in engineering design[J]. ASME Journal of Mechanical Design， 2005， 127（1）： 24-33.

[責任編輯：楊玉潔]