复杂机电产品动态可靠性建模理论与方法研究
苏春，许映秋
(东南大学机械工程学院，江苏南京210096)
摘要：分析传统可靠性建模方法在描述时间及系统动态过程等方面存在的缺陷，研究了影响系统动态可靠性的各种因素，给出动态可靠性的定义及理论体系。在评述已有动态可靠性建模方法的特点及其应用的基础上，提出复杂系统动态可靠性建模的发展方向。
关键词：动态可靠性；建模；故障；Petri网
中图分类号：TBII4．3 文献标识码：A 文章编号：1672—1616(2006)09—0024一O4
可靠性(Reliability)从研究如何提高武器装备的出勤率和可维护性起步，已有60多年历史。美国等工业发达国家始终重视可靠性理论和实验研究，尤其在航空、航天、电子等领域，并获得良好回报。
目前，可靠性指标数值已经成为企业必须提供的产品基本数据，如平均首次失效时间(Mean Time To Failure，MTTF)、平均无故障工作时间(Mean Time Between Failures，MTBF)等。经验表明，高可靠性的产品是提升品牌价值和提高企业市场竞争力的有效途径。
随着产品功能和结构的复杂化以及人们对产品可靠性要求的提高，传统可靠性建模方法面临挑战。近年来，动态可靠性(dynamic reliability)建模理论受到人们的高度重视。
1 传统可靠性建模方法存在的缺陷传统可靠性建模方法主要有故障模式及其影响／危险程度分析(Failure Mode and Effect／Criticality Analysis，FMEARMECA)、可靠性框图(Reliability Block Diagram，RBD)、故障树分析(FaultTree Analysis，FTA)、事件树(Event Tree，ET)等?1。其中，FMEA／FMECA表达不够严密，容易产生歧义；RBD只能从宏观上描述零部件的串并
联等关系；FTA、ET等则是基于交、并、差等布尔运算(Boolean Operation)来描述系统零部件故障之间的因果关系。
此外，传统可靠性建模方法在描述时间、动态过程等方面存在困难，在模型精确化等方面存在缺陷，具体表现如下：
a．由应力一强度干涉模型可知，产品可靠度是强度大于应力的概率，即R =P(S> S)，其中，尺表示产品可靠度；P表示强度大于应力的概率；S表示强度；S表示应力。
由于强度、应力以及零件尺寸等工程变量具有随机性，多数工程变量的数值随时间而变化。例如，因疲劳、磨损和腐蚀造成的机械强度下降，电绝缘强度随时间和外界应力的变化等。因此，产品可靠性必然是时间的函数，并呈现出显著的动态性。
b．机电产品运行是典型的动态过程，载荷、工况、应力等运行环境及参数都是时间的变量。科学技术的交叉集成使得机电产品日趋复杂，人一机一环境以及系统软硬件之间相互作用、相互影响，产品可靠性的动态性、相关性和随机性特征日益明显。
c．随着产品的复杂化，人的可靠性对产品的使用可靠性影响更加显著。此外，软件可靠性也是影响复杂机电产品可靠性的重要因素。
d．传统可靠性分析采用割集等概念描述系统故障逻辑或故障模式，难以准确描述和计算子系统故障状态的依赖性和传递性，也不能准确描述部件故障对产品可靠性的定量影响。此外，传统可靠性建模方法难以实现对容错系统、冗余系统、可修复系统等动态随机故障的精确计算，使得可靠性计算值与实际系统相差甚远。
总之，传统可靠性理论缺乏有效的建模工具，在很大程度上制约了产品可靠性的提高。可靠性研究开始从单纯的静态可靠性向产品全生命周期(设计、制造、使用、维护和报废)等动态可靠性转变。
2 动态可靠性的基本概念
目前，动态可靠性还没有形成统一的定义。但是，文献中的相关论述有助于我们了解动态可靠性的概念及特点：
a．动态可靠性方法提供了一个框架，以便明确地记录时间及进程动态性对系统状况的影响，并由此实现可靠性研究重点从“分析者(analyst)”向“方法论(methodology)”转变_2 J。
b．动态可靠性考虑故障传播过程中事件发生的顺序和时间、转换率的相关性和状态变量值的失效标准以及人因的作用 3。
c．动态可靠性与传统静态可靠性的最大区别在于：动态可靠性认为系统失效等事件的发生不仅仅是由基本事件的静态逻辑组合而导致，基本事件对系统失效的影响可能依赖于其他事件是否发生以及发生的时序等_4 J。
d．动态可靠性是指在规定服役期限内，在正常使用和正常维护条件下，考虑环境和结构抗力衰减等因素的影响，结构服役某一时刻后在后续服役基准期内完成预定功能的能力15 J。
e．动态系统是人一机～软件构成的系统，它对初始摄动的响应包括随时间变化的元件之间的相互作用以及与环境的作用。动态可靠性以概率方法研究受底层物理进程影响的人一机一软件系统【 。
综上所述，我们给出动态可靠性的定义：动态可靠性是研究受底层部件动态特性影响的人一机一软件系统动态行为的概率方法。其中，“动态”强调系统中包含动态性，包括失效、维修、控制和运行等活动。
3 动态可靠性的理论体系研究
目前，由机械、电子、液压、软件等功能部件的集成已成为产品开发的重要趋势。不考虑动态性将难以得到产品准确的可靠性数据。近年来，动态可靠性建模理论受到重视
4 结束语
可靠性建模理论及其工程应用曾经极大地促进了世界工业的进步。动态可靠性理论是传统可靠性建模理论的演化和提升，它的应用研究无疑将促进复杂机电产品的开发。目前，动态可靠性建立理论体系繁多，还未形成公认的、规范化的建模体系。其中，基于Petri网和Monte Carlo仿真的建模方法优点突出，受到人们更多关注。
