设备使用可用度评估方法及其适用性分析

李俊

关键词：使用可用度;评估方法;适用性

1绪论

使用可用度是设备完好性的重要参数，是表征设备完好性的重要指标。因此，对设备的使用可用度进行评估是开展设备完好性综合评估工作的重要环节。设备的使用可用度是指在实际使用环境下，要求设备运行时能满意运行的概率。

目前，关于使用可用度评估的研究是热点问题，相关的研究成果很多。特别是一些集成了动力、电力等诸多高新装备的复杂大系统，具有多功能、多分系统综合、执行多种任务的特点，系统内部以及不同系统之间的功能结构关系非常复杂，不能通过简单的一两个指标来确定其质量的好坏，需要通过多方面的技术参数的综合评估来获得。因此，在多种复杂系统的性能评估中，采用了多种方法进行多参数综合评估，如神经网络、模糊数学、马尔科夫理论、遗传算法、仿真方法、概率统计等评估方法被广泛使用。

尽管各种方法在解决一些问题时有其特点和优越性，但对于复杂系统而言，仍存在用片面的能力指标代表系统整体性能的不足，如功率、排量、扬程等评价动力系统的整体性能，而忽视效率、排放或污染等指标。而有的研究则只侧重如何采用模糊数学、神经网络、遗传算法等智能评估方法评估其能力指标，而忽视可靠性、维修性、保障性等问题，因此其适用性是有一定限制的。本文主要针对不同使用可用度评估方法进行梳理并对其适应性进行分析。

2评估方法及适用性分析

2.1神经网络方法

在对导弹武器系统使用可用度的研究中，神经网络方法得到了较多的应用。刘鲭洁等介绍了用BP神经网络法建立使用可用度与使用时间、可靠度、维修度、保障条件、任务性质、曾出现故障、测试时间等7个影响因素的关系模型的思路。但是该方法并没有实际操作与案例分析，缺乏针对具体设备评价的可操作性。

刘炜等通过基于故障数据的使用可用度评估，提出一种灰色理论预估和人工神经网络相结合的组合模型。该模型克服了灰色理论的长时间序列预估误差大和神经网络的训练样本需求量大、输入变量选取困难等缺点。仿真结果表明，GM-RBF神经网络对导弹武器系统使用可用度评估具有评估误差小、精度高等优点。研究结果以前期统计数据计算的使用可用度为输出，借用GM-RBF组合模型，预测后期系统的使用可用度，具有一定的理论研究意义和实践价值。但是模型搭建过程复杂，可操作性不强。该模型实际上与设备自身的可靠性、维修性和保障性水平没有直接的关系，只是从前期统计数据出发开展研究。

韩朝等利用RBF神经网络方法对导弹武器系统寿命周期费用的影响因素进行了分析研究，并结合案例进行分析。作者利用归一化的思想，将八个自变量进行划分，可靠性、维修性、保障性等量化指标用百分数表示，曾出现的故障、任务性质、环境因素等采用专家打分法进行量化处理。但是论文没有详细介绍神经网络方法的具体操作步骤，可操作性依然不强。

2.2马尔科夫理论

马尔科夫理论是随机过程分析中一个重要的分支，由于马尔科夫过程的无后效性，使其在时间数据预测中具有较高的精度，因此在使用可用度的研究中得到了广泛的应用。

刘福胜等基于马尔科夫过程和半马尔科夫过程，推导出了稳态使用可用度与工作寿命分布、延误时间分布、维修时间分布和预防性维修时间分布的关系，并利用马尔可夫更新过程，建立了考虑工作时间、修复性维修时间、延误时间和预防性维修时间的装甲装备的稳态可用度模型，并进行了示例应用。但是该模型仅考虑了单系统（部件）的使用可用度评估模型，对多部件系统的使用可用度评估还需要继续研究。

张涛等運用马尔科夫过程，研究了在给定（m，NG）维修策略参数和维修资源的情况下k/n系统使用可用度模型。但是由于过程复杂，公式较多，数据获取难度大，在实际工程应用中比较困难。

王蕴等将系统的故障与维修过程分为故障系统的更换维修和故障件的维修周转两个子过程，分析了两个过程之间的影响关系;然后基于马尔科夫过程分别给出了更换维修过程不缺备件和缺少备件情况下的稳态可用度;之后再次基于马尔科夫过程给出了备件短缺的概率;然后综合求出系统总的使用可用度模型;最后通过实例分析比较多种模型仿真结果表明了模型正确性。该方法对实际设备的使用可用度评估提供了理论指导，有较大的借鉴意义。

赵宇光等考虑两级保障条件，基于马尔科夫过程建立了使用可用度与装备故障率、维修率等参数的模型。然后综合各种约束条件和目标函数建立优化方程组，借助遗传算法，求出不同使用可用度所对应的参数值组合。艾宝利等以k/n系统为研究对象，结合装备两级维修保障模式，基于马尔科夫过程建立了m维修策略下两级维修保障的装备系统使用可用度模型。通过模型示例分析了两级备件储备对系统使用可用度的影响，验证了模型的有效性。高崎等。将部件划分为A类（关键性故障后维修件）、B类（次关键类视情维修件）和C类（一般性故障后择机维修件）。着重对于系统可用度密切相关的AB类部件组成的串联系统进行研究，依据特定的m维修策略凭借马尔科夫过程建立了简化的使用可用度模型，采用一些技巧简化了计算过程。文献[8-10]对保障条件下的设备使用可用度评估提供了理论支撑，可用于类似设备的评估。

吕建伟等从马尔可夫过程理论和系统工作的逻辑关系出发，分别导出了串、并联可修复系统可用性计算模型。在两者表达式不一致的情况下，运用数学分析的方法进行了对比，得出了两者之间差异可以忽略不计的结论，并通过典型情况下的转移概率矩阵的对比分析，找出了造成差异的根源（忽略了高阶无穷小）。比较了马尔科夫法和逻辑框图法计算使用可用度的优劣势。

2.3仿真方法

徐廷学等利用蒙特卡洛仿真法建立了三级备件库存结构下的舰炮使用可用度与备件保障度的关系模型。研究时假设电子产品故障时间服从指数分布，机械产品故障时间服从威布尔分布，机电产品修复时间服从对数正态分布。该方法针对大型复杂系统，存在建模困难的难题。