設(shè)備使用可用度評(píng)估方法及其適用性分析

李俊

關(guān)鍵詞：使用可用度;評(píng)估方法;適用性

1緒論

使用可用度是設(shè)備完好性的重要參數(shù)，是表征設(shè)備完好性的重要指標(biāo)。因此，對(duì)設(shè)備的使用可用度進(jìn)行評(píng)估是開(kāi)展設(shè)備完好性綜合評(píng)估工作的重要環(huán)節(jié)。設(shè)備的使用可用度是指在實(shí)際使用環(huán)境下，要求設(shè)備運(yùn)行時(shí)能滿意運(yùn)行的概率。

目前，關(guān)于使用可用度評(píng)估的研究是熱點(diǎn)問(wèn)題，相關(guān)的研究成果很多。特別是一些集成了動(dòng)力、電力等諸多高新裝備的復(fù)雜大系統(tǒng)，具有多功能、多分系統(tǒng)綜合、執(zhí)行多種任務(wù)的特點(diǎn)，系統(tǒng)內(nèi)部以及不同系統(tǒng)之間的功能結(jié)構(gòu)關(guān)系非常復(fù)雜，不能通過(guò)簡(jiǎn)單的一兩個(gè)指標(biāo)來(lái)確定其質(zhì)量的好壞，需要通過(guò)多方面的技術(shù)參數(shù)的綜合評(píng)估來(lái)獲得。因此，在多種復(fù)雜系統(tǒng)的性能評(píng)估中，采用了多種方法進(jìn)行多參數(shù)綜合評(píng)估，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、馬爾科夫理論、遺傳算法、仿真方法、概率統(tǒng)計(jì)等評(píng)估方法被廣泛使用。

盡管各種方法在解決一些問(wèn)題時(shí)有其特點(diǎn)和優(yōu)越性，但對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)而言，仍存在用片面的能力指標(biāo)代表系統(tǒng)整體性能的不足，如功率、排量、揚(yáng)程等評(píng)價(jià)動(dòng)力系統(tǒng)的整體性能，而忽視效率、排放或污染等指標(biāo)。而有的研究則只側(cè)重如何采用模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能評(píng)估方法評(píng)估其能力指標(biāo)，而忽視可靠性、維修性、保障性等問(wèn)題，因此其適用性是有一定限制的。本文主要針對(duì)不同使用可用度評(píng)估方法進(jìn)行梳理并對(duì)其適應(yīng)性進(jìn)行分析。

2評(píng)估方法及適用性分析

2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

在對(duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用可用度的研究中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法得到了較多的應(yīng)用。劉鯖潔等介紹了用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立使用可用度與使用時(shí)間、可靠度、維修度、保障條件、任務(wù)性質(zhì)、曾出現(xiàn)故障、測(cè)試時(shí)間等7個(gè)影響因素的關(guān)系模型的思路。但是該方法并沒(méi)有實(shí)際操作與案例分析，缺乏針對(duì)具體設(shè)備評(píng)價(jià)的可操作性。

劉煒等通過(guò)基于故障數(shù)據(jù)的使用可用度評(píng)估，提出一種灰色理論預(yù)估和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的組合模型。該模型克服了灰色理論的長(zhǎng)時(shí)間序列預(yù)估誤差大和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本需求量大、輸入變量選取困難等缺點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，GM-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用可用度評(píng)估具有評(píng)估誤差小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。研究結(jié)果以前期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算的使用可用度為輸出，借用GM-RBF組合模型，預(yù)測(cè)后期系統(tǒng)的使用可用度，具有一定的理論研究意義和實(shí)踐價(jià)值。但是模型搭建過(guò)程復(fù)雜，可操作性不強(qiáng)。該模型實(shí)際上與設(shè)備自身的可靠性、維修性和保障性水平?jīng)]有直接的關(guān)系，只是從前期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)出發(fā)開(kāi)展研究。

韓朝等利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)壽命周期費(fèi)用的影響因素進(jìn)行了分析研究，并結(jié)合案例進(jìn)行分析。作者利用歸一化的思想，將八個(gè)自變量進(jìn)行劃分，可靠性、維修性、保障性等量化指標(biāo)用百分?jǐn)?shù)表示，曾出現(xiàn)的故障、任務(wù)性質(zhì)、環(huán)境因素等采用專(zhuān)家打分法進(jìn)行量化處理。但是論文沒(méi)有詳細(xì)介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的具體操作步驟，可操作性依然不強(qiáng)。

2.2馬爾科夫理論

馬爾科夫理論是隨機(jī)過(guò)程分析中一個(gè)重要的分支，由于馬爾科夫過(guò)程的無(wú)后效性，使其在時(shí)間數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)中具有較高的精度，因此在使用可用度的研究中得到了廣泛的應(yīng)用。

劉福勝等基于馬爾科夫過(guò)程和半馬爾科夫過(guò)程，推導(dǎo)出了穩(wěn)態(tài)使用可用度與工作壽命分布、延誤時(shí)間分布、維修時(shí)間分布和預(yù)防性維修時(shí)間分布的關(guān)系，并利用馬爾可夫更新過(guò)程，建立了考慮工作時(shí)間、修復(fù)性維修時(shí)間、延誤時(shí)間和預(yù)防性維修時(shí)間的裝甲裝備的穩(wěn)態(tài)可用度模型，并進(jìn)行了示例應(yīng)用。但是該模型僅考慮了單系統(tǒng)（部件）的使用可用度評(píng)估模型，對(duì)多部件系統(tǒng)的使用可用度評(píng)估還需要繼續(xù)研究。

張濤等運(yùn)用馬爾科夫過(guò)程，研究了在給定（m，NG）維修策略參數(shù)和維修資源的情況下k/n系統(tǒng)使用可用度模型。但是由于過(guò)程復(fù)雜，公式較多，數(shù)據(jù)獲取難度大，在實(shí)際工程應(yīng)用中比較困難。

王蘊(yùn)等將系統(tǒng)的故障與維修過(guò)程分為故障系統(tǒng)的更換維修和故障件的維修周轉(zhuǎn)兩個(gè)子過(guò)程，分析了兩個(gè)過(guò)程之間的影響關(guān)系;然后基于馬爾科夫過(guò)程分別給出了更換維修過(guò)程不缺備件和缺少備件情況下的穩(wěn)態(tài)可用度;之后再次基于馬爾科夫過(guò)程給出了備件短缺的概率;然后綜合求出系統(tǒng)總的使用可用度模型;最后通過(guò)實(shí)例分析比較多種模型仿真結(jié)果表明了模型正確性。該方法對(duì)實(shí)際設(shè)備的使用可用度評(píng)估提供了理論指導(dǎo)，有較大的借鑒意義。

趙宇光等考慮兩級(jí)保障條件，基于馬爾科夫過(guò)程建立了使用可用度與裝備故障率、維修率等參數(shù)的模型。然后綜合各種約束條件和目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化方程組，借助遺傳算法，求出不同使用可用度所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值組合。艾寶利等以k/n系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合裝備兩級(jí)維修保障模式，基于馬爾科夫過(guò)程建立了m維修策略下兩級(jí)維修保障的裝備系統(tǒng)使用可用度模型。通過(guò)模型示例分析了兩級(jí)備件儲(chǔ)備對(duì)系統(tǒng)使用可用度的影響，驗(yàn)證了模型的有效性。高崎等。將部件劃分為A類(lèi)（關(guān)鍵性故障后維修件）、B類(lèi)（次關(guān)鍵類(lèi)視情維修件）和C類(lèi)（一般性故障后擇機(jī)維修件）。著重對(duì)于系統(tǒng)可用度密切相關(guān)的AB類(lèi)部件組成的串聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行研究，依據(jù)特定的m維修策略憑借馬爾科夫過(guò)程建立了簡(jiǎn)化的使用可用度模型，采用一些技巧簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。文獻(xiàn)[8-10]對(duì)保障條件下的設(shè)備使用可用度評(píng)估提供了理論支撐，可用于類(lèi)似設(shè)備的評(píng)估。

呂建偉等從馬爾可夫過(guò)程理論和系統(tǒng)工作的邏輯關(guān)系出發(fā)，分別導(dǎo)出了串、并聯(lián)可修復(fù)系統(tǒng)可用性計(jì)算模型。在兩者表達(dá)式不一致的情況下，運(yùn)用數(shù)學(xué)分析的方法進(jìn)行了對(duì)比，得出了兩者之間差異可以忽略不計(jì)的結(jié)論，并通過(guò)典型情況下的轉(zhuǎn)移概率矩陣的對(duì)比分析，找出了造成差異的根源（忽略了高階無(wú)窮?。?。比較了馬爾科夫法和邏輯框圖法計(jì)算使用可用度的優(yōu)劣勢(shì)。

2.3仿真方法

徐廷學(xué)等利用蒙特卡洛仿真法建立了三級(jí)備件庫(kù)存結(jié)構(gòu)下的艦炮使用可用度與備件保障度的關(guān)系模型。研究時(shí)假設(shè)電子產(chǎn)品故障時(shí)間服從指數(shù)分布，機(jī)械產(chǎn)品故障時(shí)間服從威布爾分布，機(jī)電產(chǎn)品修復(fù)時(shí)間服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。該方法針對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)，存在建模困難的難題。