基于凸组合系统可靠性评估考虑操作和维护策略

文摘

系统可靠性评估的方法的情况下,是独立的组件或系统内的组件有互动的关系,提出了。从更高的要求对系统操作安全、经济、可靠性集中建立多目标优化模型的维护策略。为安全至上的系统中,通常采取悲观的维护策略,,在这些情况下,系统可靠性评估也悲观地解决。safety-uncritical系统维护策略通常是乐观的,,在这种情况下,系统可靠性评估也乐观的解决,分别。除此之外,合理的维修策略和相应的可靠性评估可以通过上面的凸组合两种情况。高速列车系统背景为例,验证了该方法结合实际故障数据和维护数据。结果证明,该研究可以提供一个新的系统的可靠性计算方法和解决方案选择和优化多目标经营策略与系统安全的因素和经济需求。科学评估的理论基础还提供了高速列车系统的可靠性和制定合理的维修策略。

1。介绍

随着中国高速铁路的快速发展,传统的维护策略可能不适合的培训组织模式“高密度、高频率、高安全”由于其缺点的大修周期短,维护成本高,长时间停车。火车维修工作的趋势将“可靠性为中心的维护”。

大量的研究集中在这个话题。金等。1)提出了优化可靠性为中心的非周期的预防性维修(PM)多组分设备以最小的修复失败。三种类型的点行动包括机械服务、修复、更换同时考虑。外星人et al。2总结研究过程,维护策略的中心从活性repair-focused模式可靠性为中心的模式。Faza等人提出了一个定量建模方法先进电网的可靠性(3]。周et al。4)顺序不完全维护策略集成到基于工况预测维护,并提出了一种可靠性为中心预测维护策略不断监控系统退化由于不完善的维护。他等。5]发现运行可靠性评估理论反映实时的电力系统的可靠性水平,和组件的故障率随操作条件。

从上述研究结果对发展作出了重大贡献和调查之间的关系维护策略和可靠性。但是他们很难被应用在高速列车系统。一方面,这些研究主要集中在相对简单的系统,而高速列车系统是一个复杂的系统。另一方面,传统的可靠性评估方法,如故障树、贝叶斯网络、马尔可夫,和佩特里网,总是假定组件是独立的。例如,一个全面的软件安全分析包括失效模式和影响分析(FMEA)和故障树分析(FTA)进行关键系统的软件功能来识别潜在危险软件故障(6]。萨汉和El-Gohary7]可靠性模型参数的最大似然估计和贝叶斯方法。半马尔科夫过程与四个州已经申请建模两个不同的单位冷备份系统(8]。佩特里网已经应用到机械系统可靠性分析的领域(9]。事实上,有相当复杂的系统中组件之间的关系。这就是为什么传统方法获得的结果总是远离实际情况。

情况下的系统可靠性评估方法,是独立的组件或系统内的组件有互动的关系,提出了。从更高的需求在系统运行安全性和经济性,可靠性主要是建立多目标优化模型的维护策略。系统可靠性评估下完成不同的维修策略。最后,背景与高速列车系统为例,验证了该方法结合实际故障数据和维护数据。

2。可靠性建模和计算系统与独立的组件

2.1。网络可靠性建模与独立的组件系统

以下假设是在构建与独立组件对系统可靠性模型。

假设1。组件(节点)是独立的。

假设2。只有两种状态:正常和故障。

假设3。边缘是独立的,这意味着一个边缘的失败不会影响别人。

two-tuple组建成,假设非空的,,它可以被称为组件集。是一个子集属于哪一个,叫做边集。边缘在有向图是一个有序对,包含两个顶点,和有序对通常是由尖括号;例如,代表一个边缘,的起点是定向边缘,然后呢是最后一点。和是两个不同的边缘,如图1。

2.2。与独立的组件系统的可靠性计算

2.2.1。系列系统

据推测系统由单元组件系列的方式,这意味着整个系统时将没有任何的系统组件是无效的,如图2。的生命周期组件是、操作可靠性,寿命分布函数,;然后系统的生命周期是。

假设是独立的、系列的可靠性系统是什么 系统的平均寿命

2.2.2。并行系统

据推测系统由单元组件并联的方式,这意味着只有当组件都没有将整个系统是无效的。

的生命周期组件是、操作可靠性,寿命分布函数,;然后系统的生命周期是。假设是相互独立的,并行系统的可靠性

3所示。可靠性建模和计算系统和相关组件

3.1。与依赖组件可靠性网络的建模系统

以下假设是假定为构建与依赖组件系统的可靠性模型。

假设1。系统拓扑结构是固定的。

假设2。只有两种状态的组件:正常和故障。

假设3。如果系统的功能关系的部分是正常的,子系统的状态是正常的,或在故障状态。

假设4。在系统可靠性模型中,节点的失败相当于节点之间的功能关系的失败。

有两种方法可以表达功能部件之间的关系,如表所示1。

子系统可靠性的研究中,系统组件被设置为节点,而在系统可靠性的研究,子系统被设置为节点,节点之间的功能关系是优势。针对两层网络模型建立与网络拓扑结构的特点。

3.1.1。网络模型组件层

在子系统可靠性的研究中,每个子系统由一系列的不可分割的组成部分。研究设置组件作为节点,操作组件的节点属性的可靠性,以及组件之间的功能关系与边缘建立一个有向网络模型的特点,网络拓扑结构,。给出具体解释如下: 集合的节点,组件的集合。 集合的边缘,,这是一组功能组件之间的关系。 收集节点的属性,即组件的使用可靠性,代表组件的可靠性在子系统在时间。

3.1.2。子系统层网络模型

系统可靠性研究设置系统节点和边缘功能子系统之间的关系,构建指导网络模型与网络拓扑结构的特点,。给出具体解释如下: 集合的节点,子系统的集合。 边的集合,是集功能子系统之间的关系。 节点属性的集合,是集子系统的可靠性,,代表子系统的可靠性在时间。

3.2。系统的可靠性计算与基于相关函数的相关组件

为了计算系统的可靠性由依赖组件,施魏策尔和Sklar10提出了相关函数。相关函数描述了变量之间的相关性。介体是一个函数,它结合了分布函数与相应的边缘分布函数在一起。本文计算的可靠性系统相关组件从两个方面(串联系统和并联系统)基于相关函数。

3.2.1之上。基于接合部系列系统的可靠性

假设系统由单元组件系列,的生命周期组件是、操作可靠性,寿命分布函数,;然后系统的生命周期是。联合分布函数。根据Sklar引理,有一个维介体使;是独一无二的,因为是连续的。系统的可靠性的程度显示如下:

3.2.2。基于介体的并行系统的可靠性

假设系统由单位组件以并行方式,一辈子的组件是、操作可靠性,寿命分布函数和系统的生命周期是。联合分布函数。根据Sklar引理(10),有一个维介体使;是独一无二的,因为是连续的。系统的可靠性的程度显示如下:

4所示。系统可靠性分析基于不同连接类型

考虑到本研究计算系统可靠性基于系统内部组件的连接,系统的可靠性可能会受到系统组件的连接类型的影响。

系统可靠性的计算方法讨论了不同连接类型。一般系统连接类型主要包括三种方式:单输入单输出,单输入多输出,和多输入和多输出(多个输入和输出连接类型是一样的单输入多输出连接类型)。

4.1。单输入单输出

如图3,它描述了如何计算子系统的可靠性在单输入节点和单输出节点的情况。根据网络模型,假设系统由子系统,、子系统输入节点和输出节点;子系统的可靠性计算可以转化为节点的概率的分析吗到节点;也就是说,

所有子系统之间的最短路径应该找出分析子系统的可靠性基于最小路径集,据推测所有从节点最短路径吗到节点,代表的数量最少的路径:(1) ;最小的路径上的所有节点都在一个系列。子系统,它将在正常状态时的最小路径上所有节点是正常的。因此最小路径的可靠性子系统的可靠性。(2) ;据推测,代表任何最小路径;最小路径的可靠性所有节点的路径是一样的吗很好地工作。的子系统,它会正常工作只有一个最小的路径在正常状态,这意味着最高的最小路径的可靠性可以被视为子系统的可靠性。

总之,无论有多少最小路径的子系统,最高的可靠性最小的路径(,只需要解决独特的最小路径)可以视为子系统的可靠性:

(1)系统可靠性计算与独立的组件。

每一个最小路径的可靠性的基础上(1)可以说明如下:

的连接可靠性值最小的路径吗,是组件的寿命分布函数构成最小的路径。

子系统的可靠性

;子系统的可靠性。

(2)系统可靠性计算和相关组件。

每一个最小路径的可靠性的基础上(4)可以说明如下:

的连接可靠性值最小的路径吗和是组件的寿命分布函数构成最小的路径。子系统的可靠性是

;子系统的可靠性。

4.2。单输入多输出

如图4,从输入节点的最短路径进行了分析输出节点(假设在子系统节点)迪杰斯特拉算法的基础上,。每一个最小路径的可靠性计算根据(8)和(10)。

子系统的可靠性和可以计算,分别根据(9)和(11)的情况下独立和依赖的组件。

这个计算方法也可以与多个输入节点计算子系统的可靠性和单输出节点;这里描述的细节也不会。

4.3。多输入和多输出

如图5据推测,子系统组成输入节点,输出节点,节点对(一个输入节点和一个输出节点)。它需要计算所有节点对的最短路径。是所有这些对的最短路径根据弗洛伊德的算法。每一个最短路径的可靠性的情况下独立和依赖的组件可以计算,分别根据(8)和(10)。

子系统的可靠性和可以计算,分别根据(9)和(11)。

4.4。总结

从上述可以看出计算基于三种连接类型,无论哪种连接类型,子系统的可靠性,和可以根据计算(9)和(11)的情况下独立和依赖的组件。因此,有必要考虑系统组件的连接类型计算系统可靠性时使用(9)和(11直接)。

5。系统可靠性评估

5.1。独立的组件之间的比较系统的可靠性评估和相关的组件

根据综合比较和分析上面的系统可靠性评估方法中,假设依赖组件的系统可靠性大于独立的组件和试图验证通过使用数学归纳法的方法,证明如下:

,这意味着两个节点的最小路径系列。

组件的依赖时,系统的可靠性

当组件是独立的,系统的可靠性

因为,我们有。

假设,。

当,系统可靠性与获得独立的组件

系统可靠性的相关组件

支持的假设,,系统相关组件的可靠性肯定大于独立的组件。

5.2。基于凸组合系统可靠性估计考虑操作和维护策略

5.2.1。估算方法

根据节5.1,依赖组件的系统可靠性大于独立的组件;也就是说,这两种评估方法组成的上限和较低的限制,分别。

安全至上的系统应该采取相对保守的方法来估计独立的组件的可靠性,这就需要使用下限可靠性评估。Non-safety-critical系统应该采取相对乐观的和理性的方法来估计的可靠性依赖组件,设置上限。对于大多数通用系统,实际的可靠性通常是在上限和下限之间。它会增加不必要的维护成本的可靠性评估方法使用独立的组件,而维护成本将减少通过相关组件的可靠性评估方法;然而,整个安全系统将明显减少。

从平衡操作安全与经济效率的关系,介绍了系统运行策略的调节系数,。一般系统的可靠性主要体现在两个极端的凸组合形式估计是基于操作策略

是系统运行策略的调节系数,它是由系统本身决定的。维护资源密切相关,不同的操作策略对应于不同的操作资源。

5.2.2。物理上的解释

的两种极端状态分别解释。也;也就是说,系统的可靠性;使用独立的组件的可靠性计算方法适合安全至上的系统。系统的可靠性等于;使用相关组件的可靠性计算方法适合non-safety-critical系统。通用系统,值的范围从0到1。每一个对应于一个操作策略,既包含相对谨慎,乐观的部分。

一般来说,系统操作策略是上述两种极端的组合策略和最优可以由给定的操作资源,保证最佳的可靠性。应该有一个最优的在维护资源和操作策略。系统可靠性的最优估计价值可以得到基于操作策略。相比与传统的系统可靠性估计价值没有考虑到运营策略,这个估算值考虑系统的可靠性和维护之间的对应关系,它可以最好的平衡企业的更高的安全与经济之间的关系。

6。高速列车转向架系统的应用和验证

本文以转向架子系统属于高速列车系统作为一个研究的例子。如图6、转向架子系统可靠性符合节的情况4。转向架子系统可靠性的网络模型如图7。

转向架子系统的部件的名称及其编号如表所示2。从图可以看出6,输入节点增压泵(),变速箱输出节点()。根据节中提到的计算方法5.1,只有一个最小的路径可以使用Matlab在转向架子系统。考虑

本文分析了寿命分布的五个组件(在最短路径)根据转向架子系统的故障数据,在实地研究和以运行公里为寿命数据。研究收集组一生最大似然估计值和估计参数的数据根据检查类型、分布服从的每个组件根据Kolmogorov-Smirnov方法(钴)。5组件的生命周期是观察到的威布尔分布的0.02显著性水平。威布尔分布参数的最大似然估计结果如表所示3。

6.1。当组件依赖转向架系统可靠性估计

根据(11),选择多个弗兰克Copula函数模型研究转向架子系统的可靠性。概率值替换后可以获得寿命数据中的5个组件在威布尔概率密度函数,和弗兰克的相关参数估计的最小路径,后,可以通过使用牛顿迭代在弗兰克相关函数代替概率值。弗兰克相关函数的最小的路径

替换和威布尔参数估计的值最小的路径的每个组件(11),它可以发现

6.2。转向架系统可靠性估计当组件是独立的

子系统的可靠性当假设节点(组件)的最小路径是独立的。它可以发现

图8显示了转向架的曲线比较可靠性分布子系统在上面的两种情况。代表了系统可靠性曲线当组件的依赖,和代表了系统可靠性曲线当组件是独立的。

转向架子系统的广义表达式的可靠性评估

结合转向架系统的维修资源,广义转向架系统可靠性与不同的曲线如图9。

一般系统的范围从0到1。每个对应一个操作策略包含两部分相对谨慎,乐观。例如,在两个极端情况下如图9。转向架系统的可靠性当, ,然后。转向架系统的可靠性当, ,然后。

可以看出,不仅依赖组件的验证系统的可靠性比独立分量也验证这个方法考虑到安全和经济,同时也显示,选择和优化的多目标经营策略是理性的。

7所示。讨论

传统可靠性理论只研究系统的可靠性是完全独立的组件时,过于保守,不利于实现系统的潜力。考虑到组件之间的交互关系不仅可以保证系统运行良好,也准确地反映整个系统的可靠性。因此,系统的安全属性来完成任务可以最大限度地提高。

基于系统可靠性计算的相关组件应用的相关函数,介绍了凸组合考虑操作和维护策略。安全至上的系统中,它适用于估计系统可靠性基于相对谨慎的操作策略。non-safety-critical系统,它适用于基于相对乐观的估计系统可靠性运行策略。对于大多数通用系统,最好是估计的系统可靠性的基础上,结合上述两种极端的策略。相比与传统的系统可靠性估计价值没有考虑到运营策略,这个估算值考虑系统的可靠性和维护之间的对应关系,它可以满足需要更高的安全与经济之间的平衡企业、也可以为科学提供一个理论估算高速列车系统的可靠性,使理性维护策略。

此外,用给定的运营资源和保证最佳可靠性、系统可靠性最优估计价值可以得到优化。如果我们沿着这个想法做了相关研究,可以获得一些更好的方法来解决系统可靠性问题的建模和估计复杂的机电一体化。

8。结论

本文提出了一种新的基于凸组合的系统可靠性评估方法考虑操作和维护策略。主要结论包括以下几点:(1)提出了一个新的想法来计算复杂的网络系统可靠性相关组件基于凸组合考虑操作和维护策略,提供一个科学和实用的方法来解决系统可靠性建模和估计的问题复杂的机电一体化。(2)以高速列车转向架系统为工程背景,本文的方法是应用和验证。它表明,这种方法不仅可以考虑安全和经济也获得理性的操作策略和实现其可靠性估算。(3)凸组合方程建立系统可靠性考虑操作和维护策略。随后的研究可以关注的优化用给定的运营资源和保证最佳的可靠性。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者欣然承认金融支持中国国家科学项目支持计划(2011 bag01802),轨道交通控制与安全国家重点实验室(RCS2014ZT23)和CRH3高速列车故障数据研究(I11L00060)。

引用

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