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动态情形下退化相依多部件可修系统建模与分析

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

沈静远

项目受资助机构

南京理工大学

立项年度

2018

立项时间

未公开

项目编号

71801128

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

19.00万元

学科

管理科学-管理科学与工程-工业工程与质量管理

学科代码

G-G01-G0108

基金类别

青年科学基金项目

关键词

可修系统 ; 系统可靠性 ; 退化相依 ; 可靠性指标 ; 多部件系统 ; 可修系统 ; 系统可靠性 ; 退化相依 ; 可靠性指标 ; 多部件系统

参与者

张凤霞；张延静；冯泽彪；王娟；周小龙；屠雅楠

参与机构

南京理工大学；南京邮电大学；南昌航空大学

项目标书摘要：目前，高可靠性已成为系统研制、生产和使用过程中的普遍要求。但是，系统的动态性和部件间的相依性为建模和分析带来了很大的困难和挑战。因而，对动态情形下退化相依的多部件可修系统的研究，无论从国家战略层面还是科技发展的角度，都具有十分重要的意义。..本项目拟就动态情形下退化相依多部件可修系统的建模与分析进行深入研究。首先，从实际背景和现有文献中抽象出系统动态性和部件退化相依性的作用机理，并给出科学的数学描述。其次，构建多种动态情形下退化相依多部件可修系统的可靠性和维修性模型。最后，基于这些新模型，将提出一些新的可靠性和维修性指标，并推导出相关指标的计算公式，同时进行特征分析与比较分析。..本项目的研究成果不仅有潜在的实际应用，而且可扩展和丰富可靠性和维修性建模理论与方法。研究成果也可应用于管理科学与工程的其它方向，如供应链管理、风险管理和项目管理等领域。

Application Abstract: Nowadays high reliability has become the general requirement to develop,produce and use systems.However,the dynamic features of the system and the dependence between components have brought great difficulties and challenges for system modeling and analysis.Therefore,the study of reparable multi-component systems with degradation dependence under dynamic situations is of great significance both in the national strategic level and in the scientific and technological development...The present project will be carried out on the modeling and analysis for reparable multi-component systems with degradation dependence under dynamic situations.First of all,mechanism of system dynamic features and degradation dependence will be abstracted from the actual background and the existing literature,and then expressed by scientific mathematical methods.Secondly,several reliability and maintenance models will be developed for reparable multi-component systems with different types of degradation dependence under different dynamic situations.Finally,some new reliability and maintenance indexes will be proposed for the new models,and expressions for relevant indexes will be derived.Meanwhile,the characteristics and comparative analysis will be carried out for some indexes...The results of the present project not only have potential practical applications,but also can extend and enrich the theories and methods of reliability and maintenance modeling.The research results can also be applied to other directions of management science and engineering,such as supply chain management,risk management and project management.

项目受资助省

江苏省

项目结题报告(全文)

高可靠性已成为当前系统研制、生产和使用过程中的普遍要求。但是，系统的动态性和部件间的相依性为建模和分析带来了很大的困难和挑战。因而，对动态情形下退化相依的多部件可修系统的研究，无论从国家战略层面还是科技发展的角度，都具有十分重要的意义。本项目采用“机理分析与刻画—可靠性建模与指标分析—维修建模与检修策略优化”的基本研究路线：首先，在调研文献和实际装备系统(如电厂发电机组、医疗设备、精密仪器系统等)的基础上，以含有切换备件和保护辅件的两类多部件系统为主要研究对象，对系统的动态性和部件间的相依性机理展开了深入分析，并基于随机过程和概率论的相关理论进行了数学刻画。其次，基于机理分析的结果建立了几类新的可靠性模型。针对含有切换备件的多部件系统，引入了待机失效这一新的失效机理，构建了动态情形下老化和待机双重失效机理作用下的系统可靠性模型，提出了新的系统切换策略并进行了优化。针对含有保护辅件的相依主辅多部件系统，根据系统不同的结构、动态性和部件相依性，构建了4类新的可靠性模型，并对不同模型的可靠性相关指标进行了推导和分析。最后，有别于现有大多数研究中考虑检测和维修能完全揭示和恢复系统退化状态的假设，本项目考虑实际工作中人为因素、环境因素和设备因素对检测和维修结果的影响，从三个方面对现有的检测维修模型进行了扩展:(1)在动态情形系统可靠性研究中引入了不完美维修,(2)在周期检测策略中考虑了动态情形对检测质量的影响,(3)在主辅多部件系统的维修策略中引入了针对辅件的预防性维修策略。基于这三个方面分别构建了三类新的维修模型，推导了系统相关运维成本指标，并以成本最小化为目标对检测维修策略进行了优化。作为动态情形下相依多部件可修系统可靠性研究的重要基础工作，本项目的研究成果不仅充实了可靠性理论，扩展了可靠性建模与分析的方法，而且也可以应用在管理科学与工程的其他领域。

  • 排序方式：
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  • 1.竞争失效系统的可靠性建模与维修策略

    • 关键词：
    • 质量;可靠性;竞争失效系统;可靠性建模;维修策略;不完全检测;不完全维修
    • 张延静
    • 指导老师：南京理工大学 马义中
    • 学位论文

    随着科学技术的进步与发展,人们对产品的要求越来越高,不仅希望产品能够满足其功能需求,而且希望产品的寿命越长越好或是在使用期间出现故障的次数越少越好。对产品寿命进行可靠性建模与分析,能有效预测产品的寿命演化规律,进一步地,所建立的可靠性模型也能为产品的维修策略提供依据和保障。在实际中,很多系统（或产品）会同时受到多种失效模式的影响,其中退化失效（由系统本身的退化导致）和突发失效（由环境中的随机冲击导致）较为常见,这两种失效模式之间相互竞争,系统的失效由最早出现的失效模式导致,这类系统被称为竞争失效系统（或竞争风险系统）。现实生活中,竞争失效系统颇为常见,如电池、微机电、电力系统等,这类系统一旦发生故障,则会造成较大的经济损失,因此,对竞争失效系统进行可靠性建模与维修策略研究具有重要的理论意义与实用价值。本文以竞争失效系统为研究对象,从可靠性建模和维修策略两个维度展开。一方面,运用基于退化的可靠性建模方法,冲击理论,Copula方法等对竞争失效系统进行可靠性建模与分析;另一方面,基于视情维修策略,采用延迟时间模型（Delay time model）,比例役龄消减模型（Proportional age reduction model）等方法对竞争失效系统进行维修建模。首先,在考虑失效模式之间相关性的基础上对竞争失效系统进行了可靠性建模与分析。本文将随机冲击分为致命冲击（Fatal shock）、一般冲击（General shock）和微小冲击（Small shock）三类,基于此,对高可靠长寿命的竞争失效系统进行了可靠性建模。在构建可靠性模型时,假设微小冲击不会对系统产生任何影响,一般冲击不仅会导致退化过程产生突然的退化增量,还可能导致系统的退化率增大,而致命冲击则会导致系统突发失效。此外,采用Copula方法处理多个退化过程之间的相关性问题。最后通过数值算例验证了所建可靠性模型的有效性和准确性。其次,基于视情维修策略对竞争失效系统进行了维修建模。可靠性建模与分析有助于评估系统可靠性,而有效的维修措施则能增大系统在使用期间的可用度。本文假设竞争失效系统在失效之前具有相同的性能水平,即系统只有正常和失效两种工作状态,基于此前提假设,采用视情维修策略对竞争失效系统进行了维修建模,构建了系统的期望成本率函数,并以串联系统为验证对象,展示了所构建维修模型的有效性。然后,对多状态竞争失效系统进行了维修建模。在工程实际中,系统在不同的工作时段内可能具有不同的性能水平,若将每一性能水平看作一个系统状态,则系统可被离散为多个状态。本文针对三状态竞争失效系统（正常、缺陷和失效）,并在完全检测（Perfect inspection）的基础上,对系统进行了视情维修建模。最后以电容器组为例,验证了所构建模型的适用性。再次,考虑了不完全检测情形,对多状态竞争失效系统进行了维修建模。由于检测设备以及检测人员技术水平的局限性,检测存在一定的误差。本文假设针对缺陷的检测是不完全的,即不完全检测（Imperfect inspection）,并基于视情维修策略,对多状态竞争失效系统进行了维修性建模。最后通过数值算例验证了维修模型的适用性和有效性。最后,在同时考虑不完全检测和不完全维修（Imperfect maintenance）的基础上,对多状态竞争失效系统进行了维修建模。当检测识别出系统缺陷时,就对系统进行预防性更换,通常会产生较高的成本。在实际中,一些经济有效的维修活动便可消除系统缺陷。然而,维修通常只能使系统恢复至“如新”和“如旧”之间的某一状态,即维修是不完全的。本文在进一步考虑不完全维修情形的基础上,采用视情维修策略建立了多状态竞争失效系统的维修模型,提出了系统维修策略的优化问题,实现了更新周期内期望成本率的最小化。本文的创新点在于:（1）为构建更精确的竞争失效系统可靠性模型,将到达系统的冲击分为三类,并采用Copula方法处理多个退化过程之间的相关性。本文所提建模方法,提高了竞争失效系统可靠性模型的精确度;（2）针对定期维修所存在的维修不足或维修过剩的问题,本文采用视情维修策略,建立了竞争失效系统的维修模型,通过优化所建立的维修模型,可得到最优的维修策略,该策略可达到节约维修成本的目的;（3）针对多状态竞争失效系统,本文分别采用延迟时间模型和齐次泊松过程刻画其退化过程和冲击过程,进而建立了系统的维修模型。进一步,考虑到检测误差（不完全检测）和维修度（不完全维修）,对系统的维修模型进行了重新构建,所构建的维修模型可适用于不同工作情境下的多状态竞争失效系统。

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