基于模糊評(píng)判模型的民機(jī)可靠性分配方法研究

鄭慶

【摘 要】利用模糊理論基礎(chǔ)及分析方法，綜合考慮民機(jī)研制中模糊和不確定因素對(duì)可靠性分配結(jié)果的影響，從評(píng)價(jià)集設(shè)置、因素權(quán)重值賦值等方面，建立了模糊可靠性分配的數(shù)學(xué)模型，提出一種模糊評(píng)判矩陣方法來確定影響民機(jī)可靠性因素的權(quán)重。

【關(guān)鍵詞】模糊評(píng)判；可靠性分配；飛機(jī)研制

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展以及各種新型復(fù)雜系統(tǒng)的建立，經(jīng)典可靠性的傳統(tǒng)研究方法與系統(tǒng)復(fù)雜化的矛盾日益突出。模糊理論與技術(shù)能夠較好地描述與仿效人的思維方式，總結(jié)和反映人的體會(huì)與經(jīng)驗(yàn)，對(duì)復(fù)雜事物和系統(tǒng)可以進(jìn)行模糊度量、模糊識(shí)別、模糊推理、模糊控制與模糊決策?？煽啃栽诿裼蔑w機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)中占有重要地位，是民機(jī)設(shè)計(jì)的重要質(zhì)量特性之一，影響飛機(jī)的安全使用和經(jīng)濟(jì)性。

在飛機(jī)可靠性分析工作中，包括可靠性參數(shù)定義和指標(biāo)、可靠性預(yù)計(jì)與分配、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性評(píng)估等都存在著許許多多模糊不確定和小樣本的信息，經(jīng)典的可靠性理論并不是非常適用，但也有部分在可靠性預(yù)計(jì)與分配方法中運(yùn)用到評(píng)分、權(quán)重、影響因素等模糊理論方法。本文綜合運(yùn)用模糊理論并充分考慮民機(jī)研制過程中可靠性工作的特點(diǎn)，提出一種基于模糊評(píng)判模型的民機(jī)可靠性分配方法，為民用飛機(jī)可靠性的最優(yōu)分配提供科學(xué)依據(jù)。

1 民機(jī)模糊可靠性

1.1 可靠性概念的模糊性

傳統(tǒng)的可靠性觀念建立在二值邏輯基礎(chǔ)之上，它反映了人類的精確思維方式。但是，人類除了可以進(jìn)行精確思維之外，還可以進(jìn)行模糊思維。而后者在人類的思維活動(dòng)中占主導(dǎo)地位。表現(xiàn)在飛機(jī)可靠性方面，人們除了關(guān)心“飛機(jī)的可靠性（指標(biāo)）是多少？”（用精確數(shù)字回答）之外，更習(xí)慣于這樣一些提問： “飛機(jī)的可靠性高不高？飛機(jī)的安全性好不好？飛機(jī)可靠性很高的可能性有多大？”可靠性設(shè)計(jì)的目的是使設(shè)計(jì)產(chǎn)品性能好、效率高、成本低、壽命長(zhǎng)、安全可靠、使用維護(hù)方便、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等。這里的“好一壞”、“高一低”、“長(zhǎng)一短”、“危險(xiǎn)一安全”、“方便一麻煩”、“平穩(wěn)一不平穩(wěn)”等都是模糊概念。

1.2 故障狀態(tài)的模糊性

在經(jīng)典可靠性理論中，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)作有二值狀態(tài)假設(shè)，即系統(tǒng)只有兩種狀態(tài)，要么完全正常，要么完全故障（失效）。從而系統(tǒng)性能指標(biāo)的取值范圍被劃分為截然不同的兩部分，一部分標(biāo)志系統(tǒng)完好，另一部分標(biāo)志系統(tǒng)故障，然后根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際可靠性指標(biāo)值落入哪一部分判斷系統(tǒng)故障與否。顯然這種劃分在許多情況下嚴(yán)重脫離工程實(shí)際。

實(shí)踐表明，在飛機(jī)系統(tǒng)工程中，由于耗損所引起性能下降最終導(dǎo)致故障的現(xiàn)象是極為普遍的，例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片因微裂紋的擴(kuò)展而斷裂進(jìn)入失效狀態(tài)。在進(jìn)入失效狀態(tài)之前，葉片經(jīng)歷了一個(gè)完好到失效的過渡過程，即從完好到出現(xiàn)裂紋，從裂紋擴(kuò)展到完全斷裂，存在一發(fā)展過程，在這個(gè)過程中，葉片既不是完好，又不是完全斷裂，其狀態(tài)是模糊的。又如，飛機(jī)液壓系統(tǒng)因漏油而進(jìn)入故障失效狀態(tài)。在此之前，液壓系統(tǒng)就經(jīng)歷了一個(gè)從完好到故障的過渡狀態(tài)。即開始滲漏，到滲漏增大，直到滲漏超限而被判為故障狀態(tài)。像這樣的從完好到故障的現(xiàn)象，對(duì)立的兩極是通過一系列的中介狀態(tài)相互聯(lián)系、相互滲透、相互轉(zhuǎn)化的，中介過程呈現(xiàn)出“亦此亦彼”的模糊狀態(tài)[1]。

飛機(jī)自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜、飛行環(huán)境的惡劣、飛行循環(huán)次數(shù)多都會(huì)造成飛機(jī)結(jié)構(gòu)和設(shè)備疲勞、磨損和蠕變，如電氣設(shè)備絕緣的老化，電子設(shè)備的參數(shù)漂移，液壓系統(tǒng)的油污染等。此時(shí)存在著模糊故障狀態(tài)，而離散有限狀態(tài)假設(shè)是不成立的，應(yīng)該以模糊狀態(tài)假設(shè)替代之。所謂模糊狀態(tài)假設(shè)是指故障判據(jù)是模糊的，即在任一時(shí)刻，系統(tǒng)在某種程度上處于模糊正常狀態(tài)，又在某種程度上處于模糊故障狀態(tài)。

1.3 可靠性數(shù)據(jù)的模糊性

經(jīng)典可靠性理論應(yīng)用概率方法是建立在大樣本存在的前提上的。而飛機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，集成度高，不可能通過大量的試驗(yàn)來獲取可靠性數(shù)據(jù)，而且使用中的可靠性數(shù)據(jù)也相對(duì)較少，收集到的數(shù)據(jù)本身具有模糊性。

在常見的飛機(jī)可靠性分析方法中，例如評(píng)分分配法、評(píng)分預(yù)計(jì)法、小樣本可靠性分析法、無(wú)故障可靠性分析法等都用到一個(gè)重要的數(shù)據(jù)源就是專家經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)是以模糊不確定的方式出現(xiàn)；相似產(chǎn)品法、應(yīng)力分析法、故障率預(yù)計(jì)法、統(tǒng)計(jì)回歸法等引入了修正系數(shù)，但因航空產(chǎn)品的復(fù)雜性，修正系數(shù)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(yùn)用的數(shù)學(xué)工具是精確數(shù)學(xué)，無(wú)法充分運(yùn)用模糊信息，所以有較多的應(yīng)用限制。

1.4 可靠性影響因素模糊性

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力?！耙?guī)定條件”包括使用時(shí)的環(huán)境條件和工作條件，如溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、輻射等環(huán)境條件，使用時(shí)的應(yīng)力條件，維護(hù)方法，存儲(chǔ)時(shí)的儲(chǔ)存條件，使用維修時(shí)對(duì)操作維修人員的技術(shù)等級(jí)要求等。這些條件沒法用一個(gè)精確的數(shù)字來概括，通常是設(shè)定一個(gè)大概的取值范圍來反映條件的好壞。更有甚者，只用使用環(huán)境“好”、“差”；維修力量“強(qiáng)”、“弱”等模糊評(píng)價(jià)。

比如，在民機(jī)簽派可靠性研究中，對(duì)其影響因素進(jìn)行分析時(shí)，包括：固有可靠性、可靠性方案、維修力量及方案、機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、備件支援力量、航空公司運(yùn)營(yíng)管理水平等因素。上述大部分因素與人有關(guān)，人的思維更偏向于模糊性，因素自身內(nèi)部又有很多復(fù)雜的縱橫交錯(cuò)，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(shè)的模糊性

在經(jīng)典的可靠性分析理論中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算方便，常常會(huì)有假設(shè)前提。

1）在可靠性試驗(yàn)中，總假設(shè)試驗(yàn)條件與實(shí)際工作所處的自然條件一樣，然而試驗(yàn)手段受客觀條件的限制而造成測(cè)試結(jié)果的不完全正確所產(chǎn)生的不確定性；

2）在可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，常得到定數(shù)截尾、定時(shí)截尾、不完全數(shù)據(jù)等，這樣用有限的試驗(yàn)樣本代替無(wú)限樣本所產(chǎn)的可靠性數(shù)據(jù)不確定性；

3）在可靠性建模時(shí)，會(huì)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)單元屬于某種可靠性連接模型，由此也會(huì)產(chǎn)生模型信息的不確定性；

4）在可靠性數(shù)學(xué)分析時(shí)，常常會(huì)假設(shè)某單元壽命服從指定的數(shù)學(xué)分布形式，或通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析其分布規(guī)律再近似可靠性參數(shù)服從某種數(shù)學(xué)分布。這些都會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生模糊性。

總的來講，在飛機(jī)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(duì)系統(tǒng)的可靠性的影響有時(shí)甚至比由于變量本身固有的隨機(jī)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(wú)法量化的或變化規(guī)律不清楚（信息不全）的，用經(jīng)典可靠性理論和方法進(jìn)行描述是非常困難，也不符合實(shí)際。而設(shè)計(jì)者又必須在這些不完善的條件下進(jìn)行決策和設(shè)計(jì)，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(jìn)入可靠性領(lǐng)域。

4 結(jié)論

可靠性分配的本質(zhì)是一個(gè)工程決策過程，是一個(gè)綜合權(quán)衡優(yōu)化的問題。由于決策過程本身的復(fù)雜性，以及影響飛機(jī)可靠性的因素大多具有模糊性和不確定性，使得使用傳統(tǒng)的可靠性分配方法難以得出科學(xué)客觀的結(jié)果?；谝陨蠁栴}，本文提出一種基于模糊綜合評(píng)判模型的民機(jī)模糊可靠性分配方法，應(yīng)用模糊評(píng)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(yīng)用模糊決策理論方法評(píng)估部件之間的相對(duì)可靠性系數(shù)，使得分配結(jié)果更準(zhǔn)確真實(shí)，為為民機(jī)研制過程中從系統(tǒng)級(jí)到子系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行客觀、合理的可靠性分配提供科學(xué)依據(jù)，從而確保新研制的民用飛機(jī)具有高的可靠性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙德孜.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期的可靠性模糊預(yù)計(jì)與分配[M].北京：國(guó)防工業(yè)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(wèi)東. 基于模糊綜合評(píng)判的航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性分配方法[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2005，3（1）：22-27.

[4]邵旭飛，宋保維，毛昭勇，等.串聯(lián)系統(tǒng)可靠性分配的模糊層次分析方法[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，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(zé)任編輯：楊玉潔]