提高系统可靠性的冗余分配方法

摘要

增加冗余是提高系统可靠性的常用方法。通常，最优的冗余增加方案可以通过求解冗余分配优化问题来获得。然而，有两方面因素制约了大部分冗余分配方法在现实问题中的应用：缺少可靠性数据以及有可靠性数据时进行的两个简化假设。
　　在实际工程问题中，当可靠性数据丢失或者没有采集时，应用定量的方法（例如求解冗余优化问题）进行冗余分配是不可行的。此时，己知的信息可能仅仅包括系统的功能、系统结构、组成元件、可能的故障及其原因等。为了能充分利用这些定性的己知信息来进行冗余分配，则需要提出一种定性的冗余分配方法来实现无可靠性数据情况下的冗余最优分配。
　　当可靠性数据可以获得时，分配冗余时则应该应用更为精准的定量的冗余分配方法。但是，大部分冗余分配方法都进行了以下两个简化假设：元件之间相互独立以及两状态性。具体来讲，第一个假设是假定系统的元件之间是相互独立的。一个元件不会影响到另一个元件。第二个假设是假定系统或元件只有两个状态，即完全工作和彻底失效两个状态。虽然这两个假设可以简化冗余分配问题的求解，但是它们可能会造成偏差很大的可靠性估计。而基于这种很不准确的可靠性估计所得到的最优的冗余分配方案也是令人质疑的，可能也不能满足实际要求，这会对那些对可靠性要求很高的工程项目带来很多的问题。因此，在进行冗余分配时，很有必要提出新的冗余分配方法，以去掉这两个简化假设。
　　因此，本论文提出了解决以上两方面因素的冗余分配新方法。本论文一共包括四部分内容。第一部分提出了一种定性进行冗余分配的方法，用来处理无相关可靠性数据情况下的冗余分配问题。其余三部分内容都是冗余分配的定量方法，去除了两个简化假设，用来处理有可靠性数据情况下的冗余分配问题。具体地，第二部分去除了第一个简化假设，提出了一种考虑元件故障间相互影响的冗余分配方法。元件故障间相互关系是元件之间相互关系的一个特例。第三部分将两个简化假设都去除，提出了一种既考虑元件故障间相互影响、又考虑元件多状态性的冗余分配方法。第四部分对第三部分的内容进行了拓展，既考虑了元件的多状态性、又考虑了元件之间的相互关系。第四部分讨论的情形更为普遍，因为元件之间的相互关系不只局限于元件故障之间的相互影响。在本文的四部分研究内容中，都例举了多种应用实例，说明了本文所提出方法的可应用性。

目录

声明

致谢

Nomenclature

List o f figures

List o f Tables

Chapter 1 Introduction

1.1 Motivation and Objective

1.2 Research Progression

1.3 Organization of Dissertation

Chapter 2 Definitions and Terminologies

2.1 Introduction

2.2 Axiomatic Design

2.3 Fault Tree Analysis (FTA)

2.4 Failure Interaction

2.5 Analytical Hierarchy Process

2.6 Reliability Calculation

2.7 Component Multiple States

2.8 Component Dependency

2.9 Semi-Markov Process Model for Reliability Analysis

Chapter 3 Qualitative Redundancy Allocation

3.1 Introduction

3.2 Qualitative Redundancy Allocation Method: Axiomatic Fault Tree Analysis

3.3 Case Study

3.4 Conclusion

Chapter 4 Redundancy Allocation with Failure Interactions

4.1 Introduction

4.2 Redundancy Allocation Method with Failure Interactions

4.3 Illustrative Examples

4.4 Case Study

4.5 Conclusion

Chapter 5 Redundancy Allocation with Failure Interactions and Multiple States

5.1 Introduction

5.2 Semi-Markov Process Model for Redundancy Allocation of Multi-State Systems with Failure Interactions

5.3 Case study

5.4 Conclusion

Chapter 6 Redundancy Allocation with Compo- nent Dependency and Multiple States

6.1 Introduction

6.2 Semi-Markov Process Model for Redundancy Allocation of Multi-state Systems with Component Dependencies

6.3 Case Studies

6.4 Conclusion

Chapter 7 Conclusions and Future Work

7.1 Concluding Remarks

7.2 Main Contributions

7.3 Future Research Directions

参考文献

Publications