可靠性分配及其應(yīng)用

1、可靠性分配及其應(yīng)用摘 要：可靠性分配是系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的重要任務(wù)之一，其結(jié)果直接影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。為了能快速獲得在一定費(fèi)用約束條件下的可靠性優(yōu)化分配結(jié)果，減少分配過程中的主觀因素，應(yīng)該通過多種方法，建立了科學(xué)、高效的可靠性分配模型。關(guān)鍵字：可靠性分配； 系統(tǒng)； 故障率0 引 言可靠性分配是可靠性設(shè)計(jì)的重要任務(wù)之一，是把系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)書中規(guī)定的可靠性指標(biāo)，由上到下、由大到小、由整體到局部，按一定的分配方法分配給組成該系統(tǒng)的分系統(tǒng)、設(shè)備及元件。通過可靠性指標(biāo)的分配，可以從技術(shù)、人力、時間、資源各個方面分析各部分指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的難易情況，從而使系統(tǒng)各層次的設(shè)計(jì)人員明確各自的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為指標(biāo)監(jiān)控和采取改進(jìn)措施

2、提供依據(jù)。1對復(fù)雜系統(tǒng)來說，為使可靠性分配方案更為合理，要綜合考慮系統(tǒng)各組成單元間在重要度、復(fù)雜度、技術(shù)發(fā)展水平、工作時間和環(huán)境條件等方面的不同，進(jìn)行可靠性優(yōu)化分配的實(shí)質(zhì)就是綜合以上各方面因素，在一定的分配原則下，得到合理的可靠性分配值的優(yōu)化解。1 可靠性分配的定義所謂系統(tǒng)可靠性分配就是要求系統(tǒng)在定義體系結(jié)構(gòu)的時候，設(shè)法將系統(tǒng)分解成部件(子系統(tǒng)或模塊)，并且為了保證各部件的設(shè)計(jì)時間、難度、風(fēng)險(xiǎn)大致相等，必須根據(jù)系統(tǒng)可靠性要求，確定各模塊的可靠性，以保證使得系統(tǒng)開發(fā)費(fèi)最低。從可靠性分配的定義可以看出，可靠性分配要求在系統(tǒng)生存周期的定義階段就進(jìn)行，即在系統(tǒng)的可行性論證、需求分析、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)

3、階段進(jìn)行。隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)的深入，我們可以得到更多的相關(guān)信息，從而使可靠性分配結(jié)果也越來越趨向合理。14比如在可行性論證階段，因?yàn)榇藭r系統(tǒng)的相關(guān)信息較少，所以我們可以根據(jù)類似產(chǎn)品運(yùn)用類比法進(jìn)行可靠性初步分配;而到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，由于可以獲得系統(tǒng)復(fù)雜性、操作剖面等一些信息，我們就可以用更好的分配方法（如基于操作剖面的可靠性分配法）使結(jié)果更加精確。事實(shí)上，可靠性分配還可以在開發(fā)階段根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。2目前，幾乎所有的可靠性模型都用于測試操作階段，是在完成產(chǎn)品開發(fā)初始階段后用來估計(jì)系統(tǒng)可靠性的模型，也就是說至少要在完成定義階段后才能被使用。這些模型共同回答了這樣一個問題：“這系統(tǒng)有多可靠”。模型的使用依賴

4、于在系統(tǒng)初始階段的分析和設(shè)計(jì)，因此，它們幾乎對系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)、計(jì)劃階段沒有產(chǎn)生任何影響?？煽啃苑峙淠Ｐ褪怯脕砘卮疬@樣一個問題：“系統(tǒng)應(yīng)該有多可靠”。系統(tǒng)可靠性分配在計(jì)劃、設(shè)計(jì)階段為不同的產(chǎn)品部件在時間及工作量的分配上提供了指導(dǎo)，為開發(fā)管理提供了有效的控制工具并且把可靠性設(shè)計(jì)融入到系統(tǒng)之中，因此，這個階段對系統(tǒng)后來的可靠性的影響是非常關(guān)鍵的。32可靠性分配理論與方法現(xiàn)狀系統(tǒng)可靠性分配與系統(tǒng)可靠性工程中的另外兩項(xiàng)工作可靠性的預(yù)計(jì)、評價(jià)組成了整個系統(tǒng)可靠性的主要工作。4以前系統(tǒng)可靠性研究的主要目的是評價(jià)和度量系統(tǒng)的可靠性和對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行預(yù)測。可靠性的預(yù)計(jì)、評價(jià)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一套相對較

5、為成熟的理論，而系統(tǒng)可靠性分配研究是在近些年才發(fā)展起來的研究工作，所以系統(tǒng)可靠性分配相對于可靠性的評價(jià)和度量技術(shù)還顯得不夠成熟，還有待進(jìn)一步完善。5從國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r來看，國內(nèi)較國外相對落后。目前，國外的系統(tǒng)工程界人士，如Musa、Fran等人己在影響可靠性分配的因素如操作剖面、收集歷史數(shù)據(jù)的特性等方面有了一定的研究。6Fatemehzahedi、MaryE.Helander等人也提出了一些可靠性分配方法并建立了相應(yīng)的可靠性分配模型。這些工作和方法總的特點(diǎn)是它們是在與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的基礎(chǔ)上被提出來，具有較強(qiáng)的應(yīng)用針對性，但同時也存在著模型使用范圍受到限制的缺陷。由于系統(tǒng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，影響系

6、統(tǒng)系統(tǒng)可靠性的因素眾多且不確定，而它們又是應(yīng)用分配方法的關(guān)鍵，所以國外的可靠性分配的研究領(lǐng)域還在不斷的發(fā)展和完善之中。13在國內(nèi)，徐仁佐、楊曉青等專家也開展了相應(yīng)的可靠性分配研究工作，如面向多用戶的模塊化系統(tǒng)系統(tǒng)的可靠性分配、系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配的故障樹分析法等在理論上都具有一定的創(chuàng)新性。7但是由于國內(nèi)系統(tǒng)業(yè)發(fā)展起步較晚，這方面工作還沒有得到充分的重視，可靠性分配方法和模型方面的研究較國外相對要少。一些方法因?yàn)橥瑢?shí)際工程結(jié)合獲得的經(jīng)驗(yàn)較少，還缺乏在實(shí)際工程中的檢驗(yàn)。910由于系統(tǒng)工程是一個非常復(fù)雜的領(lǐng)域，而且系統(tǒng)的生產(chǎn)過程豐富多彩，因此到目前為止，己提出的許多可靠性分配模型，如同其它評價(jià)、預(yù)測系

7、統(tǒng)可靠性模型一樣，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并沒有一個普遍適用的分配模型。8這些模型根據(jù)不同的影響因素，從不同的角度來建立，會產(chǎn)生一些分配模型對產(chǎn)品1比較適合，而對產(chǎn)品2并不適用的情況，也即沒有在所有情況下都優(yōu)秀的單個模型，因此有必要為實(shí)踐者建立關(guān)于如何選擇的標(biāo)準(zhǔn)。3 可靠性分配方法分類目前，對于硬件可靠性的分配己有許多成熟的技術(shù)可以應(yīng)用，但是對于如何進(jìn)行系統(tǒng)可靠性的分配，相關(guān)的文獻(xiàn)資料和技術(shù)報(bào)告不多見，特別是在軍用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面，還在不斷摸索。下面簡要列出已有的的各種方法與技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)：3.1快速分配法是借鑒功能類似的舊系統(tǒng)或舊模塊的可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分配，該方法方便實(shí)用，需要有可借鑒的系統(tǒng)或模塊的可

8、靠性指標(biāo)數(shù)據(jù)，對于新開發(fā)的系統(tǒng)系統(tǒng)，如沒有參考數(shù)據(jù)，則此方法無法應(yīng)用。123.2 等分法可用于順序或并行執(zhí)行的系統(tǒng)系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是它非常簡單，但是它沒有考慮各模塊之間的不同屬性，如重要性、復(fù)雜性等的不同，只是單純的平均分配，對于那些需要精確分配各部件可靠性指標(biāo)的系統(tǒng)則無法采用。123.3基于故障率的分配方法先根據(jù)一種系統(tǒng)可靠性模型對系統(tǒng)系統(tǒng)在交付時的故障率進(jìn)行估計(jì)，然后根據(jù)估計(jì)出的結(jié)果將故障率指標(biāo)按一定的比例分配到各個模塊中，但是估計(jì)和計(jì)算系統(tǒng)可靠性模型中各參數(shù)的值比較麻煩，且不容易找到一種合適的系統(tǒng)可靠性模型。123.4基于危險(xiǎn)因子和復(fù)雜性因子的可靠性分配方法根據(jù)系統(tǒng)系統(tǒng)的危險(xiǎn)性和復(fù)雜性將故障率

9、分配到各個模塊中去，過程比較簡單，缺點(diǎn)是危險(xiǎn)性因子的估計(jì)帶有一定主觀因素，復(fù)雜性因子的確定往往不容易得到。3.5 AHP (Analytic Hierarchy Process)是一種基于功能概圖的分配方法，它考慮了系統(tǒng)的開發(fā)成本，能在保證系統(tǒng)可靠性達(dá)到一定要求的條件下，節(jié)約開發(fā)資源，但是其算法比較復(fù)雜，而且功能概圖的確定也具有一定的主觀性，且功能概圖的最后確定不是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就能完成的，它需要多個反復(fù)才能最后確定，但系統(tǒng)的分配指標(biāo)需要在設(shè)計(jì)階段完成。123.6 基于故障樹的分配方法是一種全新的思路，首先提出把故障樹技術(shù)運(yùn)用到可靠性分配中去，創(chuàng)建的快速分配模型具有直觀、有效、簡單的特點(diǎn)，并且

10、通過圖形演繹的方法，表達(dá)了系統(tǒng)的內(nèi)部聯(lián)系及其關(guān)鍵模塊，從而有效地指導(dǎo)用戶有針對性地進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配。但故障樹分析法要求分析研究人員對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分了解，增加了分析的難度。系統(tǒng)可靠性的分配方法是在近幾年才逐漸發(fā)展起來的，這些方法本身可能還存在著或多或少、程度不同的問題。而且很多方法與系統(tǒng)可靠性的建模、預(yù)測等有著緊密關(guān)系，因此，系統(tǒng)可靠性的建模以及預(yù)測技術(shù)的好壞也將直接影響到可靠性分配結(jié)果的優(yōu)劣。所以，在系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配中，采用多種技術(shù)綜合分析是十分有效的。114 可靠性分配的應(yīng)用實(shí)例4.1 實(shí)例一15設(shè)某系統(tǒng)有5個單元，其當(dāng)前故障率及價(jià)格如表1所示。表1中，價(jià)格單位為萬元，故障率單位為次/發(fā)。

11、要求系統(tǒng)故障率，求故障率的最優(yōu)分配。該問題化為下列規(guī)劃問題：其最優(yōu)解為：最優(yōu)值為：4.2 實(shí)例二16設(shè)某武器系統(tǒng)有5個單元，其當(dāng)前故障率及價(jià)格同實(shí)例1，設(shè)系統(tǒng)造價(jià)上限萬元，故障率上限次/發(fā)，求故障率的最優(yōu)分配。其目標(biāo)函數(shù)為：若價(jià)格和性能權(quán)利分別為0.8、0.2，則化為下列規(guī)劃：該問題的最優(yōu)解為：最優(yōu)值為：從本例可以看出，若用規(guī)劃法分配系統(tǒng)可靠性，既達(dá)到了系統(tǒng)可靠性的要求，同時又節(jié)約了系統(tǒng)造價(jià)約60萬元。5 結(jié)束語可靠性分配是一項(xiàng)既重要又復(fù)雜的工作，本文介紹了可靠性分配的定義以及幾種常用的分配方法。這些方法在實(shí)際應(yīng)用中較為實(shí)用，應(yīng)用這些方法對可靠性分配，取得了較為滿意的效果?？煽啃苑峙涫且豁?xiàng)繁瑣

12、、耗時、費(fèi)用較大的工作，我們應(yīng)用計(jì)算機(jī)等多種手段，優(yōu)化可靠性分配的方法，使可靠性分配能夠迅速、準(zhǔn)確地進(jìn)行。參考文獻(xiàn)：1 Fatemeh Zahedi，Noushin Afhrafi. Software Allocation Based on Structure Utility，Price，and Cost. IEEE Trans.Software Eng.，1991，Vol.17(4)：345一3462 Oded Berman，Noushin Ashrafi. Optimization Models for Reliability of Modular Software Systems. IE

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