大數(shù)據(jù)時(shí)代可靠性課程體系建設(shè)

程志君 羅鵬程 蔣平 郭波

【摘要】本文從大數(shù)據(jù)時(shí)代可靠性人才需求出發(fā)，針對當(dāng)前可靠性課程體系存在的問題，依托“大數(shù)據(jù)+可靠性”創(chuàng)新科研成果，開展相應(yīng)課程體系建設(shè)改革的研究，分別從課程體系框架構(gòu)建、課程體系內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)手段改革三方面進(jìn)行積極探索，提出對策和建議，為相關(guān)研究生培養(yǎng)方案和課程大綱修訂提供支持。

【關(guān)鍵詞】大數(shù)據(jù)時(shí)代 可靠性課程體系

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）16-0241-01

一、引言

在現(xiàn)代軍事、航天、航空等高科技領(lǐng)域中，以減少故障、提高產(chǎn)品質(zhì)量為目的的可靠性，在相關(guān)設(shè)備研制、生產(chǎn)和使用過程中扮演舉足輕重的角色。所謂可靠性，是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。通俗地說，可靠性就是產(chǎn)品無故障完成任務(wù)的能力[1]。可靠性經(jīng)過50多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一門綜合性的新興交叉學(xué)科，國內(nèi)外許多著名大學(xué)不僅設(shè)立相關(guān)專業(yè)，建立完整的課程體系，而且其中某些課程也成為其他工科專業(yè)的必修課程[2]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，以大數(shù)據(jù)、人工智能、無線網(wǎng)絡(luò)等為代表的技術(shù)變革徹底改變了原有產(chǎn)品的發(fā)展軌跡[3]，高技術(shù)設(shè)備性能指標(biāo)多樣，組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在其需求論證、設(shè)計(jì)研制和保障使用中，通過傳感器或終端能夠獲取海量數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星每秒產(chǎn)生的在軌性能監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)數(shù)萬條。一方面，這些性能或環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)從不同方面反映設(shè)備的狀態(tài)，能夠?yàn)槠淇煽啃苑治鎏峁└嗟臄?shù)據(jù)支撐，從而成為推動可靠性技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源。另一方面，這些數(shù)據(jù)大多并非故障數(shù)據(jù)，而且往往具有非結(jié)構(gòu)化、非線性特點(diǎn)，因而對傳統(tǒng)基于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)的可靠性理論方法和手段提出了新的挑戰(zhàn)。大數(shù)據(jù)強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)間相關(guān)關(guān)系的挖掘，抽樣及數(shù)據(jù)精度已非其研究和應(yīng)用的關(guān)注點(diǎn)，原有經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)抽樣、因果分析建模方法難以奏效[4]。因此，未來從事可靠性工程相關(guān)領(lǐng)域研究的人員，需要更新原有的可靠性知識體系，掌握大數(shù)據(jù)相關(guān)的新理論與新方法。在這種形勢下，必然對現(xiàn)有的可靠性課程體系提出新的、更高的要求。為此需要結(jié)合當(dāng)前可靠性大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對原有課程體系進(jìn)行改革與創(chuàng)新，建設(shè)“大數(shù)據(jù)+”可靠性方向研究生課程體系。

二、“三類四層”的課程體系框架構(gòu)建

現(xiàn)有的裝備可靠性課程體系是 “三類四層”框架結(jié)構(gòu)，其中，“三類”是指裝備可靠性研究和應(yīng)用的“故障診斷”、“壽命預(yù)測”、“風(fēng)險(xiǎn)分析”三個(gè)方面領(lǐng)域知識?！八膶印笔侵浮盎A(chǔ)-專業(yè)-應(yīng)用-展望”四個(gè)層次的知識劃分。所謂“基礎(chǔ)”課程包括軍事裝備相關(guān)的領(lǐng)域基礎(chǔ)課程和“概率統(tǒng)計(jì)”、“隨機(jī)過程”等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程；“專業(yè)”課程即“故障診斷”、“風(fēng)險(xiǎn)分析”等專業(yè)基礎(chǔ)課程；“應(yīng)用”主要是指解決應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)實(shí)問題的案例分析課程，是基礎(chǔ)和專業(yè)課程知識的綜合應(yīng)用；“展望”是指針對裝備可靠性未來發(fā)展的綜合研討類課程。

而大數(shù)據(jù)理論的引入，將徹底改變上述“三類四層”框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵與關(guān)系。一是三類領(lǐng)域知識的重新設(shè)置，原有三類領(lǐng)域邊界較為清晰，但大數(shù)據(jù)理論從整體著眼的特點(diǎn)使三者結(jié)合更為緊密，重新劃分三類領(lǐng)域的邊界，涉及到不同內(nèi)容的擴(kuò)展與綜合；二是四層結(jié)構(gòu)中課程的調(diào)整與知識更新，如“基礎(chǔ)”課程中需要增加與大數(shù)據(jù)相關(guān)課程（如人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等），“專業(yè)”課程中應(yīng)結(jié)合大數(shù)據(jù)更新原有“故障診斷”、“狀態(tài)預(yù)測”等課程知識體系；三是原有內(nèi)容與大數(shù)據(jù)相關(guān)新理論方法的整合問題，將新的知識和傳統(tǒng)方法協(xié)調(diào)綜合為一個(gè)整體。從上述三方面出發(fā)，研究和梳理解決當(dāng)前裝備可靠性三個(gè)領(lǐng)域問題對大數(shù)據(jù)新理論、新方法的需求，結(jié)合我校研究生培養(yǎng)的特點(diǎn)，構(gòu)建“大數(shù)據(jù)+”裝備可靠性方向研究生課程體系的“三類四層”新框架，從而確立各門課程之間的支撐關(guān)系。

三、“三個(gè)有機(jī)結(jié)合”的課程體系內(nèi)容設(shè)計(jì)

大數(shù)據(jù)為解決可靠性問題提供了龐大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但可靠性與大數(shù)據(jù)結(jié)合，將不再追求抽樣與統(tǒng)計(jì)結(jié)果的精確性，而注重從整體數(shù)據(jù)上分析，強(qiáng)調(diào)相關(guān)關(guān)系分析或潛在關(guān)系的挖掘。因而需要分析這一特點(diǎn)，基于“三類四層”的新框架，設(shè)計(jì)各門課程的教學(xué)內(nèi)容。課程內(nèi)容將按照“大數(shù)據(jù)與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)結(jié)合”、“大數(shù)據(jù)與可靠性理論結(jié)合”、“大數(shù)據(jù)與裝備應(yīng)用結(jié)合”（簡稱“三個(gè)有機(jī)結(jié)合”）的總體思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體包括：

（1）“大數(shù)據(jù)與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)結(jié)合”：“基礎(chǔ)”課程中要兼顧經(jīng)典數(shù)理統(tǒng)計(jì)和大數(shù)據(jù)理論方法，“專業(yè)”課程中可靠性理論內(nèi)容應(yīng)涉及經(jīng)典數(shù)理統(tǒng)計(jì)與大數(shù)據(jù)理論方法相結(jié)合來研究故障診斷、壽命預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)分析等領(lǐng)域問題。

（2）“大數(shù)據(jù)與可靠性理論結(jié)合”：大數(shù)據(jù)理論知識與可靠性專業(yè)知識應(yīng)盡量相互呼應(yīng)、關(guān)聯(lián)承接，“專業(yè)”課程中的裝備故障診斷、壽命預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)分析等專業(yè)理論課程內(nèi)容要包含解決這些領(lǐng)域問題的大數(shù)據(jù)理論方法，而“基礎(chǔ)”課程中增加的大數(shù)據(jù)相關(guān)理論方法應(yīng)涉及可靠性領(lǐng)域應(yīng)用。

（3）“大數(shù)據(jù)與應(yīng)用結(jié)合”：“基礎(chǔ)”課程中應(yīng)包含軍事裝備論證、研制、試驗(yàn)等基本理論及其中涉及的可靠性問題和大數(shù)據(jù)問題等內(nèi)容，“應(yīng)用”課程應(yīng)突出大數(shù)據(jù)理論方法應(yīng)用于裝備可靠性問題的解決方案，“展望”課程針對可靠性專業(yè)理論當(dāng)前存在的現(xiàn)實(shí)緊迫問題，結(jié)合大數(shù)據(jù)方法解決裝備可靠性問題的未來發(fā)展，進(jìn)行展望性研討。

四、結(jié)合新一代信息技術(shù)的課程體系教學(xué)手段改革

大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)為課程教學(xué)手段改革提供了新的發(fā)展思路[5]。考慮到當(dāng)前裝備性能或環(huán)境監(jiān)測等數(shù)據(jù)海量、多樣、非結(jié)構(gòu)化等特點(diǎn)，利用Hadoop、NLP等軟件，依托學(xué)校優(yōu)質(zhì)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、“雨課堂”、軍隊(duì)“夢課”等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，設(shè)計(jì)適應(yīng)“大數(shù)據(jù)+”課程體系的教學(xué)方法，探討翻轉(zhuǎn)課堂、在線互動式課堂、研究型教學(xué)、項(xiàng)目式教學(xué)等手段在課程教學(xué)中的應(yīng)用，推動大數(shù)據(jù)工具與教學(xué)結(jié)合的實(shí)踐驗(yàn)證。其中，對部分“基礎(chǔ)”課程，強(qiáng)調(diào)Hadoop等大數(shù)據(jù)分析軟件的應(yīng)用，嘗試基于“夢課”平臺的翻轉(zhuǎn)課堂，或結(jié)合“雨課堂”開展在線互動式教學(xué)；對部分“專業(yè)”課程，可通過研究型教學(xué)方法，突出如何運(yùn)用大數(shù)據(jù)理論方法解決裝備故障診斷、壽命預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)分析等問題的研究；對“應(yīng)用”課程，可采用項(xiàng)目式大作業(yè)貫穿，并在相關(guān)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行授課，結(jié)合經(jīng)典可靠性軟件和NLP軟件來解決項(xiàng)目作業(yè)；對“展望”課程，可邀請相關(guān)院校教授、知名學(xué)者以及國防工業(yè)部門的工程專家，采用講座、研討、交流等方式進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭波等.系統(tǒng)可靠性分析[M].長沙：國防工業(yè)出版社，2002.

[2]孫權(quán)，羅鵬成，周經(jīng)綸.裝備可靠性工程人才培養(yǎng)研究[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2008（3）： 25-27.

[3]AC Tan， A Heng， J Mathew. Utilising reliability and con？鄄dition monitoring data for asset health Prognosis. Enigneering Asset Management Review， 2012： 89-103.

[4]孔德智，劉群興，王潁凱，張瑩瑩.大數(shù)據(jù)技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)， 2013，18（1）： 90-95.

[5]金陵.大數(shù)據(jù)與信息化教學(xué)變革[J].中國電化教育，2013（10）：8-14.

作者簡介：

程志君（1978.06-），女，漢族，國防科技大學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)院副教授，研究方向：可靠性建模與分析、維修決策。