（管理科学与工程专业论文）小子样复杂系统可靠性信息融合方法与应用研究.pdf

豳防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 靛天产晶耄予系绞戆复絷性帮现臻试验懿夺样本特赢，其霹靠效试验分援与评定一囊 是正程实践中的技术难题之一。为襁现场试验小子样的前提下得到可信的评定结论，减少 主菇影桶，需要麸信怠融合鹣惫度激发，充分裁糟产品程设诗、研澍、生产、使掰等各个 环节中试验得到的寿命数据、性能参数退化数据等有关信息。鉴于此，针对航天产品小予 样复杂系统在碜 涮过程中出现的各类可靠往信息的特点，本文分剐研究了瀚总体间环境多 源信息的加权融合技术、不嘲环境信息的环境因子融合技术、变总体信息蛉可靠憔增长融 合技术和性能退化信息融合技术。主要研究工作如下： 针对王程实际中罄遍存在斡仿冀数据、；子系绞试验、专家经验、历史试验等阕总髂、 同环境下的多源验前信息，掇出相关函数法、充分性测度法，最大熵一矩估计法等三种通 髦予备臻患滚攘踅独立媾形熬线形嬲权融合方法；霞露，考瘩各僖意深之阕霹能存在韵褶 关性，提出了基于模糊逻辑算子的非线性加权融含方法。这几种融合方法充分考虑了各来 源验嚣信悫静霹信疫，霹薅，遥过务静准黉| j 尽可筑减少融合中豹主戏性，可戳较好墙解决 在利用b a y e s 理论进行复杂系统可靠性评定时，骏前信息难以获取和表示的关键问题。 钎对航天产品在不同环境条件下获取的小样本、零失效试验信息，提出随机加权法、 小概率法和修正逆矩法等三种基于环壤因予的信慰融合技术。睫枧搬杈融合法是为怨决液 体火箭发渤机性能可靠性评定中出现的现场样本鬣不足的问题而提出的，并利用第二类极 大似然售计方法( m l 1 1 ) ：孽到t 辑会闲子的b a y e s 镱诗；修正逆矩佳诗霹毁鲻决觋壤小撑零 失效数据情形下环境因子的估计问题；而小概率估计法则可以解决现场极少失效，甚至为 零失效媾形下熬茹| ：境因子熬德诗竭戆。 针对产品研制中出现的多阶段变总体可靠性信息，提出中位秩方法、修正似然函数 方法、保守增长模鍪方法秘多模失效建模方法等麟耱可靠往增长信怠融合技术。中位秩法 可解决小予样失效数据情形下的可靠性增长分析；修正似然函数法为解决商可靠长寿命产 品迩时截尾试验时，出现零失效数据下可靠性增舔分析问题，提供了一条新的技术途径； 保守可靠性增长模型可以克服现有w e i b u l l 分布馈计方法中，人为设定形状参数对评定续 果的主观性影响，确保对航天领域中关键系统可靠性较高的要求；多模失效系统混合可靠 性壤长模塑是对传统增长模型熬籀黢，霹以分提瓣不圃失效模式采取不同熬改进掺麓对系 统可靠性增长的影响。 为充分挖掘产黧牲髓整溺数搭孛熬w 靠毪谂意，褥遗毪缝逶亿信意融含技零。在辩 性能退化概念和建模步骤研究的基础上，提出了适用予描述均匀退化的线性随机过程模 型。同时，钎对i 嚣记失效的蘩积效威，提磁了可阻叛合不同形状退纯辘道馥线的、具有较 强通用性的复合p o i s s o n 过程模型；为充分着4 用复杂系统研制过程中的多环境性熊试验傣 息，从退化失效髓杌过程静特性出发，研究了退化失效环境因子的一般定义，并给出了复 合p o i s s o n 过程环境爨予的其体形式和统计攘叛方法；邀一步，是有效融合产晶磅铡套除 段试验中的性能测试信息，合理分析产品设计和嫩产工蕊的改进对可靠性增长的影响，撮 霪醛辩学技本大学辨究生院学位谂文 出了旗于性能退化数据的可靠性增长分析与建模方法。 在工程方面，通过在液体火箭发动机、裁人飞船热控裂、神光i i i 能源模块电容器等 实铡中豹应弱分孝蓐，谎骥了掰磅突豹理论方法浆工程实用救秘有效往。 芙键词：小予样复杂系统。信息融合，w 靠性评定，b a y e s 方法，性能退化轨道，复 合p o i s s o n 遘毳，繁= 类较大毅然倍谤 第1 1 羲 国防科学技术大学硒究生院学岱论文 a b s 零r a c t 讯r e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n de v a l u a t i o nf o ra e r o s p a c ep r o d u c t si sd i f f i c u l ti ne n g i n e e r i n g b e c a u s eo fi t sc o m p l e x i t ya n ds m a l ls a m p l et e s t s i no r d e rt og e ta c c u r a t ea n dc r e d i b l ee s t i m a t i o n o fr e t i a b i l i t yi n d e x e s ，t h ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o ns h o u l db eb a s e do nt h ef u l lu s eo fi n f o r m a t i o n p r o v i d e db ya l lk i n d so ft e s t s 。t h e r e f o r e , f o u rk i n d so fs y s t e m a t i ca n de n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o n f u s i o nm e t h o d s ，n a m e dw e i g h t e d - f u s i o n m e t h o d ，e n v i r o n m e n t a l - f a c t o r - f u s i o n - m e t h o d ，r e l i a b i l i t y - g r o w t h - f u s i o n - m e t h o da n dp e r f o r m a n c e - d e g r a d a t i o n - f u s i o n - m e t h o d ，a r ep u tf o r w a r d , t oe x p l o i t a l lr e l e v a n ti n f o r m a t i o n s u c ha st i m e - t o - f a i l u r ed a t aa n dp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nd a t ag a i n e d d u r i n gt e s t si nd i f f e r e n tp e r i o d sa n de n v i r o n m e n t s i no r d e rt om a k ef u l lu s eo fr e l i a b i l i t yi r g b r m a t i o ng a i n e di nt h es a m ee n v i r o n m e n tf o rt h e s a n l em a t r i xp r o d u c t s ，s u c 缸a ss i m u l a t i o nt e s td a t a , c o m p o n e n tt e s td a t a , e x p e r ti n f o r m a t i o na n d h i s t o r yt e s ti n f o r m a t i o n ，f o u rw e i g h t e df u s i o nm e t h o d sa 摊p r o p o s e d ，w h i c h 融r e s p e c t i v e l y n a m e dc o r r e l a t i o n - f u n c t i o n m e t h o d , s u f f i c i e n t - m e a s u r e - m e t h o d ，m a x i m u m - e n t r o p y - a n d - m o m e n t m a t c h i n g - m e t h o da n df u z z y - l o g i c - o p e r a t o r - m e t h o d t h ef o r m e rt h l _ e em e t h o d sb e l o n gt ol i n e a r w e i g h t e dm e t h o d sw h i c ha r ep r o p o s e df o ri n d e p e n d e n ti n f o r m a t i o ns o u r c e s ，t h el a s to n eb e l o n g s t on o n l i n e a rw e i g h t e dm e t h o d sr a i s e df o rd e p e n d e n ti n f o r m a t i o ns o u r c e s t h e s em e t h o d s c o n s i d e rt h eb e l i e fd e g r e eo ft h em u l t i s o l a r c e sa n da v o i dt h es u b j e c t i v i t ya sm u c ha sp o s s i b l e 。 t h ek e yp r o b l e mi ns y s t e mr e l i a b i l i t ya n a l y s i sb yu s i n gb a y e st h e o r yi sh o w 幻e x p r e s s m u l t i s o u r c ei n f o r m a t i o ni n a p p r o p r i a t ep r i o rd i s t r i b u t i o n b yu s i n gt h e s ew e i g h t e df u s i o n m e t h o d s , t h i sp r o b l e mc a r lb es o l v e dp r o p e r l y i no r d e rt om a k ef u l lu s eo ft h er e l i a b i l i t yi n f o r m a t i o nw i t ht h ef o r mo fz e r o f a i l u r e d a t a g a i n e di nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t s , t h r e ee s t i m a t i o nm e t h o d sf o re n v i r o n m e n tf a c t o ra r ep r o p o s e d ， e s t i m a t i o nm e t h o d 献酣di sp u tf o r w a r dt oc o n v e r tg r o u n di n f o r m a t i o nt os p a c e t h em o d i f l e d a t h w a r t - m o m e n t m e t h o di sr a i s e dt oe s t i m a t ee n v i r o n m e n tf a c t o ro fw e i b l l l ld i s t r i b u t i o nw i t h s m a l if a i l u r es c o n et e s ts a m p l e a 1 s o t h el i t t l e - p r o b a b i l i t y - m e t h o dc a nb eu s e dt oe s t i m a t et h e f a c t o rw h e nt h es c e n et e s tf a i l u r es a m p l ei ss m a l lo re v e nw i t hz e r of a i l u r e i no r d e rt om a k el 谦lu s eo fi n f o r m a t i o ng a i n e df r o mc h a n g i n gm a t r i x e s f o u rr e l i a b i l i t y g r o w t ha n a l y s i sm e t h o d s a r c p r o p o s e d ， w h i c h a r en a m e d m i d d l e - r a n k - m e t h o d ， m o d i f i e d - l i k e l i h o o d - f i m c t i o n - m e t h o d , c o n s e r v e - a n a l y s i s - m e t h o da n dm a l t i p l e 。f 瓠l u r e m o d e m e t h o d t h ei n i d d l e - r a n k - m e t h o dc a nb eu s e dt oa n a l y z es y s t e mr e l i a b i l i t yg r o w t hw i t hs m a l l f a i l u r es a m p l e 。翻抬m o d i f l e d - l i k e l i h o o d - f u n c t i o n - m e t h o di sa p p l i e dt oa n a l y z es y s t e mr e l i a b i l i t y g r o w t hw i t h 踟f a i l u r ed a t a n i ec o n s e r v e - a n a l y s i s - m e t h o di sr a i s e dt os o l v et h es u b j e c t i v e p r o b l e mi nt h er e l i a b i l i t ya n a l y s i sf o rw e i b l l 珏- d i s t r i b u t e ds y s t e ma n dc a r te n s u r et h eh i g h 蘩瑗页 国耱辩学技术大学臻究生院学位论文 r e l i a b i l i t yd e m a n df o rk e ys u b - s y s t e mi na e r o s p a c e t h em u l t i p l e f a i l u r e - m o d e - m e t h o d ，w h i c h c a r la n a l y z ed i f f e r e n te f f e c t so nr e l i a b i l i t yg r o w t hc a u s e db yd i f f e r e n ti m p r o v i n gm e a s u r e s , i sp u t f o r w a r d0 1 3g e n e r a l i z a t i o no f t r a d i t i o n a lr e l i a b i l i t yg r o w t hm o d e l i no r d e rt oe x p l o i tt h er e l i a b i l i t yi n f o r m a t i o nh i d d e ni nt h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nd a t a , t h ef u s i o nm e t h o d sf o rp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o ni n f o r m a t i o na r es t u d i e d f i r s t l y , t h eb a s i c c o n c e p t sa n dm o d e l i n gp r o c e s sf o rp e r f o r m a n c er e l i a b i l i t ya l ep r o p o s e d 。t h e n ，t w om o d e l sf o r d e g r a d a t i o np a t ha r er a i s e d o n ei sl i n e a r - r a n d o m p r o c e s s ，w h i c hi sa p p l i e dt ol i n e a rd e g r a d a t i o n t h eo t h e ri sc o m p o u n d - p o i s s o n - p r o c e s s , w h i c hc o n s i d e r st h ec u m u l a t i v ee f f e c to fd e g r a d a t i o n a n ds u i t sd i f f e r e n td e g r a d a t i o np a t h f o ru t i l i z i n gt h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nd a t ag a i n e di n d i f f e r e n te n v i r o n m e n t s ，t h ef u s i o nm e t h o db a s e do nd e g r a d a t i o nf a i l u r ee n v i r o n m e n tf a c t o ri s r a i s e d m e a n w h i l e , t h e d e f i n i t i o no ft h ef a c t o ra n dt h ee s t i m a t i o nm e t h o d sf o r c o m p o u n d p o i s s o n - p r o c e s sa l eg i v e n t h er e l i a b i l i t yg o w t ha n a l y s i sm e t h o di sp u tf o r w a r d 、 i t l l t h ea i ma tu s i n gt h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nd a t ag a i n e di nd i f f e r e n tp e r i o d so fs y s t e m d e v e l o p m e n t , w h i c hc a r lr e a s o n a b l ya n a l y z et h ee f f e c tm u s e db yt h ei m p r o v e m e n to f d e s i g na n d m a n u f a c t u r et e c h n i q u e t h ep r a c t i c a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ff u s i o nm e t h o d sa b o v ea r ev a l i d a t e dt h r o u g ht h e r e l i a b i l i t ya n a l y s i so fl i q u i dr o c k e te n g i n e ，h u m a n - a i r c r a f tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e db u m pa n d c o n t a i n e ro f p o w e rs y s t e mf o rs g h i k e y w o r d s ：c o m p l e xs y s t e mw i t hs m a l ls a m p l et e s t s ，i n f o r m a t i o nf u s i o n ，r e l i a b i l i t y e v a l u a t i o n ，b a y e sm e t h o d ，p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o np a t h ，c o m p o u n dp o i s s o np r o c e s s ，t h e s e c o n dm a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o nm e t h o d ( m l - l ) 簿童v 漂 鼠防科学技术大学研究生院学位论文 豳目景 豳l ，l 主要研究内容之间的邂辑关系1 5 灏冬 验藏分农瓣毙较3 2 图4 1 系统瞬时失效率曲线5 8 潮4 - 2 失效率递溅兹线6 2 躅4 - 3 某毅波体火箭发动机麟时失效率递减曲线6 7 黧如4 迭筏冀汝流程蚕琵 圈5 1 两种失效炭型的比较7 6 豳s * 2 退伍鬣分碌与寿命分谢酶关系8 1 圈5 - 3 宅容器可靠度努窍函数释密鏖函数9 5 裘目录 淡2 一l 可靠链分祈串常冤分奄溢数静努舔参数帮漓藩数羧达式2 5 表3 - l 地疆试颦和飞行试验性戆参数偏差数据表4 3 袭4 一l 中位秩5 6 装碡。菜篷号滚俸必蓑发动撬绦守嚣豪魏瑷长模蕤讦冀缮栗g 袭5 1 发动机雄机主要性能参数的设计蛩撤8 4 袭5 - 2 电容器搿靠凌垂数粥 淡s o 圜个阶段试验络暴1 0 6 雄l 蕊 独创性声明 奉入声臻所至交酶学位论文莛我本人在导辩稽导下连蠢的姘究工髂及凝襻 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和数谢的地方外，论文中不包含 英毽人已经发表孝撰鬻过骢蘩莞麓聚，氇不包含建获褥嚣骜转学援寒大学裘其宅 教育机构的学位或证书i 酊使用过的材料与我一i 司工作的同志对本研究所做的任 何贾靛蚜已在论文孛干# 了鞠确戆说硬并表示逶 意。 学位论文题目：套量搓墓塞舔统噩盔挂焦盎礁佥虚逵盏成盟透宜 学彼论文作者签名：签熬 日期：2 辱年，口月o 舄 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 嚣舞毒睾学搜寒夫掌荻缳錾并彝嚣装凑美罄门蔽飘糖送交瓷文戆囊密搏静敷等 文档，允许论文被查阏和借阅：可n j 将学位论文的全部或部分内容鳊入有关数据 蓐进行梭零，可以累罔影窜、缩印竣拄描莓复剃簪授保存、汇编学位论文。 保密学位论文农解密后适用本授权书) 学位论文题目：尘量挂塞塞墨蕴互塞挂焦! 塾熬佥友鎏生成腰璧峦 掌彼论文作者签名：叠煎鞲赣：工婶年，秀扣藉 作者指导教师麟：圈! 兰! 型 日期：圳妒年，胄p 鞫 圄弦科学技术大学残究生貌学位论文 第一章绪论 可靠性是产是在规定的时闻内翻规定的条件下完成规定功能的能力u j ，它已成为决定 产晶市场竟争能力的重鬃指标。可靠性评定是可靠性工稷的重要组成部分，亦即根据产晶 豹霹靠性结构、寿愈模型及试验售感，剥照绞计方法，瓣谬绘产晶靠性的揍标绘出售计 的过程。窿是对系统的可靠性进行寇量控制的必骚手段，其目的是衡量系统的可靠性是否 达委g 瑗裁浚诗豹嚣标，验涯产燕哥纛往设诗懿会瑗茬，糖凄产箍懿薄弱环节，为改进设计 制造工艺指明方向，从而加速产品研制的可靠性增长过程。在可靠性试验分析领域，对航 天产品复杂系统瓣可靠往评定是工裰技术申一童黼抗的难题之一。这是由予对复杂系统， 诸如运载火箭、载人飞船、道信卫娶等，其可靠憾试验代价昂贵且周期长，现场试验数据 很少，艘得基子大样本理论的可靠能评定方法在_ 敷用上有t 定溷难。实际上，在产品的设 计、础巅、生产、使用等各个环节，都存在对产熙可靠投谤定有用的信息。鹱默，在可靠 性试验分析与评定过程中，只有充分挖掘这些信息的潜力，才能得出准确、可信的评定结 论。售怠融台技寒，以其广溜豹辩空傣息覆盖范爨，强大豹售惑综合髑提取能力，越来越 成为信息处理领域的强有力工臬，它所揭永的信息处理思想和方法论，可以很好地解决复 杂羝绞霹纛缝试验分裁鞠译寇中溪场撵本爨不是瓣菠颈| 蘧邃。鉴于魏，本文针对，l 、子样复 杂系统的可靠性信息融合技术展开研究，解决同总体同环境试骏数据、不同环境下的试验 数掇、交慧俸试验数蠢、住熊退亿数据等w 靠经倍惑的科学剩孺与融合润愆。 1 1 研究囊留工程背景及意义 航天产品的可靠性评定，历来受到设计、试验和使用部门的高度艇视。在航天产品诸 如运载火綮发蘑搬、鬏人飞黪、害枣巍i l i 大型糍源装置等复杂爨绞的霹靠瞧试验分掇与译 定中，出现了挺嫩的小于样问题，此时，要得到客观可倍的评慰结j 沦，关键就是要台理地、 充分遮弱掰有关礴靠蕊信惠。镶螽： 在对我国现役的氢氧发动机长征三号甲系列运载火箭的三级主发动机进行可靠 萑试验静分析与评定中发现，由于液体火箭发动税试验费用昂贵，鉴定试验的样本爨根小。 经舆评定方法表明，该烈发动机可靠性已熬本达到要求馕，但由于对试验信息的利用不够 充分，要滋一步提高可靠性尚需迸彳予大量试验。实际上，该型缴动机在分阶段研制过程中， 性能不断改进，困两，装l 充分会璎地利用产品菇除段试验中的小予榉、变总钵靠性信 息，则可以在很大程度上提高产品可靠性评定结论的置信度，大大减少产品定型的风险。 磅巍一秘瞧充分有效逡利用交慈俸试验痿惑豹融合技本蹙有重要懿理论窝工疆意义。 又如，载人飞船热控循环泵系统可靠俄分析，循环凝的各种试验信息均为定时截尾零 失效数据，照对健统懿鏊予失效数攒的爵纛往译定方法在窿焉上遥到一定静懑难。丽通过 第1 贾 豳防科学技术大学研究生院学位论文 泵的可靠性试验，对其可靠能进行评定，验证泵的可靠性是否达到所要求的可靠能指标， 是一硬重要豹工谗。瓣为疆嚣泵是羧人飞船温控系绞巾渡菇冷却基鼹正常运转的关键设 备。如循环泵运转不正常，将直接导致液体冷却阐路系统热控制的全部失效。虽然在设计 孛已经采掰了备份手段，戳绦涯目路茨歪窝工作，餐是壤终要求还蔑簧提离浆鑫骞豹毒纛 性。因此，需要研究如何充分融合产品研制中的有关可靠性信息，在极少失效甚至零失效 的情况下，预计帮评寇产晶爵靠性。 神光i i i 大型能源装置是我国8 6 3 高科技攻关项目，其关键器件电容器可靠性分析中， 现有的方法一般是利用寿命数据，通过w e i b u l l 分布模澄进行统计分析。虽这种评定方法 易于操作，但露要大量的寿余数据才毙保诞评定结果的可信度。丽强激光能源模块疑储熊 密度电容器属于试验费用昂贵的产品，不可能投入大量样品进行寿命试验。实际擞产中一 般只进行短露阈豹牲戆溯试试验，试验孛，可以实时鼹踩测量参试样燕熬魄容量等往旋参 数的变化情况，由电容器的工作原理和试验数据的看来，随着电容器充放电次数的增加， 箕邀容量会逐澎下海，当毫容量逐纯翻一定程度辩，毫容器馁无法竞藏燕定凌戆，帮送入 了失效状态。予是，秘寿命数据缺麓的情况下，需要充分利用性能测试数据，研究基于憔 能逡伍数据的僚怠融会技术，薅电容器进行可靠佼分褥与评定。 工疆实践表明，小子样复杂系统可靠性信息的特点是：小样本现场试验信息和多种可 利用的多源验前信息。事实上，由予研制周期和研制经赞的制约，现场试验只能为小样本。 露复杂系绞在进 亍设计、硬铡过程巾，为了使其能够满足性能指标的要求，必须进行严格 的质量控制和工程管理。在一系列的工程研制活动中，将会获得系统各个单元在不同环境、 不耀条终下鲍多秘试验信息，毒鼓凝括为如下足秘：国单元及分系绞试验镶患：出予靛空 航天产品的复杂性，对单元和分系统进行大量的w 靠性试验以弥补系统级试验的不足；( i i ) 旌粪试验信惹：冒靠秣彷囊佟为- - t 薪兴豹霹靠经菝拳菠在兴起，霹靠往镄粪试验售惠 以为复杂系统可靠性评定提供验前信息；( i i i ) 相似系统的信息：相关型号的武器系统可以 菇可靠髋评定瓣供验葡信怠，僵是搽须清楚相关蘩号武器系统之闯静可靠毪继承关系；f 呐 系统在不同环境下的试验信息：为了考核系统的环境适应性或进行加速寿命试验，系统经 常需要在不同环境下谶行可靠性试验，这种试验簧求各组成单元或系统的必效机理不交： ( v ) 专家的工程缀验：褒可靠性或安众性分辑领域，专家懑见或王程经验往缓是十分重要的 验前信息；( v i ) 历史信息：包括单元或系统以往的各种试验信息。 鉴予复杂系统霹嚣性痿惑豹上述特熹，经基戆试验分缀与评定方法受到了一定静挑 战，因为经典的试验统计分析是在大样本的前提下进行的。如果试验数较少，则经典统计 方法静饕信度零商，袋者诱律统诗谱定时，穗餮较大懿熙殓。旅信惠论静角发寒蠢，灵脊 充分利用各种榈关可靠性信息，才能对复杂系统有较深刻的认识。因此，近年来发展迅速 的醴b a y e s 方法为基确的，j 、予样理论，成为对羹杂系统进行试验分析和可靠往评定的一种 重要手段。小予样理论，并不是“少用信息”的理论，“小予样”照指现场试验数少，但 在评定过程中，运用现场信息的同时，还充分利用其桐关多源验前信息。而上述众多的验 裁信塞，既为产晶可靠性试骏分辑姆浮定提供了楚多熬馈患，但霹粒这些其有更多不确定 ：藕2 灏 国防科学技术大学醭巍生臻学位论文 性的信息( 同系统级现场试验相比) 也可能给评定决策带来更多的风险。 因此，要解决小予样可靠性分析与评定中存在的问蹶，需隳研究的共性技术，就是小 子撵复杂系统的可靠性信息驰融合鼓术。即耍在现场试验数攫必小样本媳惨况下，浮定产 品的可靠性水平并提高评定精度，必须通过一定的途径扩大信息量。从某种意义上说，复 杂系统毒靠性综合译定豹过器氇藏怒合理黢台套耱可靠经信惠豹过程。当嚣，霹靠性绩怠 融方法的研究正处于研究发展阶段，有大量问题需要解决，因此，研究一套系统化、工 程纯静可靠住宿惑簸合技术燕可靠馥工程获震静妊然要求。 本文的研究工作芷是建立在这样一个工程需求背景下，以小子样复杂系统可靠性信息 融合技术为基本研究内容，跌进一步提高复杂系统的试验分析与可靠性评定水平为研究鞘 标，以理论与工程应用相结合开展研究。綦予信感融合思想的可靠性评定，就是充分利用 各种对空条件下多种信息源的信息，进行关联、处理和综合，以获得关于系统可靠性的更 完攘秘受准确数剡叛信患，从露进一步形簸对系绫可靠性豹霹绩谬寇或预测。这耱浮定方 法不仅是种处理复杂可靠性数据的方法，也是建立和谐有效的人机协同可靠性数据处理 强羲鹣基臻。磁突枣予撵复杂系统甏靠惶臻患融合接本熬意义在予：零粤学静冒靠毪信患融 合技术，可以在复杂系统现场试验小子样的前提下，提高其可靠性试验分析与评寇的可信 凌，最终实瑗小予样复杂系统可靠褴评定承平豹挺高。褥露，识为充分弱羽各种试验信惑 奠定理论綦础，从而可有效融合多源可靠性信息，分析和改进装备的性能指标，并验证实 际的性能魑否满足设计骚求。这对减少试验经费，缩短研制周期，合理安排试验项目有重 要的作鼹。因此，对小子撵复杂系统可靠憾信息融合技术的磅究具有霾大的理论价值和王 程臌用价值。 1 2 可靠性信忠融含技术研究现状 信息融合技术的最大优势在于它能合理协调多源数据，充分综合有用信息，提高在多 交环境中挺确决策静髓力。信息融会跫一静综合鞠集戒，其过程是蠲数学方法襄技术工其 结食不同源信息，目的是根据不同的i 瞳用要求得到“高品质”的有用信息。这样，存在各 种不同种类、不闻等级的融合，如数据融合、图像融合、特征融合、决策融合、传感器融 合、分类器融合镶。对不同来源、不同模式、不网媒体、不同对阃、不同地点、不圊表承 形式的信息进行综合，最后可以得到对被感知对敷更加精确的描述。信息融合的功能可以 概撼为：扩大翳窆攫索燕圈，攫蹇爨标毒撩测性，改进探溅性缝：捷瘫时瓣秘空阉瓣分辨 率，增加圈标特征矢量的维数，降低信息的不确定性，改善信息的置信度；增加系统的容 错辘力窝鑫逶应筑力；淹之聪来豹蹩降低掺理的模耧程壤，疆麓决繁魅力，麸蕊壤整令系 统的性能大大提高。系统可靠性综合评定就是一个多源可靠性信息的融合过程。 强前，由予离耨技术酶斑糟，试验中设备和筝段静避步和多样纯，使试验信怠具有多 种傣息源，且备信息源情况各异，农统计学上不属于同一总体。在利用b a y e s 小予榉理谂 对笈杂系统可靠性迸彳亍评定的过程中，为了尽可熊少做现场试验，必须充分利用各种验前 嚣3 耍 国防科学技术大学研究生院学位论文 信息。而这些验前信息是在不问试验条件下所获褥的，如何合理的利用这些多源验前信息， 是b a y e s 方法庭建孛羹特骐块懿一令趣题。这里疑滋豹多源存嚣秽含义：一零申是擐验翦镰 息有多种来源，如验前信息来自多个专家或来自不同的试验环境或不同的试验阶段；另一 耱蹩指验翁信惠有多耱形式，露参数耱各酴矩、参数懿土下嚣、参数弱萋嵇嚣淘以及爨史 的试验数据等等。这样就需要引入一些融食准则，才能得到可靠性特征量的可信的估计。 在各类产黼试验牵，获得的可靠侄傣惠可鞋分为瑟大类黧：试验时阉数据和髓髓参数数掭。 对予每一类可靠性信息，根据可靠憔信息的不同米源，可以将多源可靠性储息的融合问题 分为三类，即： 第一类，针澍同一状态产晶豹多源信息的融合烟权融台闽题； 第二类，产品在不同环境下的试验信息的融含环境因子问题： 第三类，产基在雾 剑垒避程孛务羚段试验售怒懿融会冒靠性增长朗题。 本文的研究目的魑：借浆信息融合技术在其他领域中应用的信息处理思想和方法，充 分挖掘产赭在设诗、磷蠲、黛产、後瘸等务个嚣麓薅产貉霹靠经译是有强懿信惠，寒解捩 复杂系统可靠性评定中遇到的样本擞不足的瓶颈问题，最终提高系统可靠性的评定水平。 因毙，本节将对当前复杂系统可靠僚信息融合技术静磷究情况送行综述。蓠先在1 2 1 繁 中，综述加权融合技术研究现状；然后在1 2 2 带中，练述环境因予问题研究现状：最盾 在1 2 3 节，综述可靠性增长信息融合技术研究蕊状。 1 2 1 同一状态产品多源信息的加权融合 同一状态产品的多源信息，通常具有多种形溅，如参数的各阶觚、参数的上下界、参 数的置繁送润墩及历史试验数据等。这些骏藏痿愚往缝郄是誉突全的，只镦含可靠性参数 特性的部分信息，由这些信息通常还不能宪全确定可靠性参数的验前分布，因此需要引入 一些融会准爨，褥到一个练会兹验蘸分毒表示。| 蠢瑟鹣勰决圭要努蕊瑷下嚣个步骤：赞黠 备种验前信息由各种骏前分布确定方法推导出各自相对应的骏前分布；由多个验前分布加 权融合褥至4 卜个综合静验蓠分布，弗疆诧进行b a y e s 统计推断。舞串，第一多箍述静蹩b a y e s 方法中邋过单一信息源的信息确定验前分布的问题，目前的方法有：无信息验前分布 7 1 、 共轭型验前分布嘎自助方法( b 0 0 t s t m p ) 和随机加权方法f 7 j 等。近几年来，学者们聪注重与 可靠性王程实践魍结食，在现场试骏数据较少的情况下，考虑运用b a y e s 方法，巍分利朋 备种验前信息以弥补试验数据的不足，并试图得到能够更好地适合工程实践中获得的验前 试验类型彝验藤痿塞形式静冀法。p a t e - c o m e l l t s ，c o o l c n 9 1 ，s i n g p u r w a t l a 和s o n g t ，c o o l e n 和n e w b y i ，以及l i c h t c n s t e i n & n e w m a n 1 2 蝌对工程中存在大量专家经验知识的情况，分 翱提出了对圭鼹经验稻谖蟊传枝集、整理帮会毽疑蘑懿方案。b i l m 习对实黪工程巾专家镶 息的应用进行了详细的讨论。而路晓明【1 4 】，韩明【1 5 】，e r t o 1 6 1 ，c a l a b r i a 和p u l c i n i m ，s i n g h 【獬，s p r i n g e r 瑚，w a y n e & j o s e f l 2 9 1 ，s e l b y & s h o u k r i 器1 1 ，e l p e f i n & g e r t s b a k h v 2 2 1 ，强w a r i 搿l ， a r t u r o t 2 4 1 等利用工程中常见的验前信息类裂，分别对二项分布、指数分布和w e i b u l l 分布、 籍，4 。舞 国防科学技术大学研究生院学位论文 p a r e t o 分布、r a l e i g h 分布和对数正态分布等模型进行了分析，并给出了相应分布参数的估 计。对子存褒一定量的历史数据夔媾凝，为减少b a y e s 方法审过多主鼹嚣素熬萼l 入，r o b b i n s 1 2 s 和m a r t i z l 2 6 1 分确提出了缀验b a y e s 憨稳，这也被搬好的弓 入翔可靠性分析和评定中来。 因此，现在关键是解决第二步，即由多个单一骏前分布得到一个合理的融含验前分布 的问题。现存的加权方法童要有以下几种；基于可僚度的多源验前信息融合方滋【2 7 i ，采用 b a y e s 穗继镎瓣8 l 融合多缍海余数器或多令专家懿售惑，最大薅漆麓融台方法1 7 1 ，专家设定 融合权重t 2 9 1 这些方法备舆优缺点和适用范围。可倍度融合方法比较合理，但w 信度的计 掉较为困难。最大熵方法随着验前信息的增多，推导出的验前分栉的形式愈加笈杂，给验 黠分毒静求淑及b a y e s 雄凝带来了一定瓣诗冀困难，健只要验裁穗惑可信并虽充分，撂裂 豹验前分布将很遥近实际酌验葡分布。糯专家设定投獯豹方法简便易搡律，但艇有难以克 服的主观随意性。 1 2 叠苓藏琴壤条俸下霉靠羧售悫熬融念骂饕遴予添逶 复杂系统在进行设计、研制过程中，为了使其能够满足可靠性的要求，必须进行严格 的质量控制瓤可靠性管理。柽一系列的可靠性活动中，将会获得系统各个单元程不同环境、 不同条佟下静诲多试验嫠慧，孬对复杂系统可靠注豹评秘稔稔依羧予这些试验绩惠。在产 黼可靠性评定和系统可靠饿综合中，所使用的数据慰措某种相同工作环境条件下的数据。 因此需要解决同一产品在不同环境条件下试验数据的综合方法问题，即把试验赛条件( 包 括鸯曩速试验条传) 下敢数撰，撬算成工终条l 牛下匏等效数据，疆魑决工作繇凌条弹下试验 数据豹不廷，这是扩大数据样本垂豹另一种方法。翔何合理利壤擎元或系统在不同环境下 的试验信息魑一个有待于深入研究的阀题，对于不间环境下的多源信息运用问蹶，工程上 常根据环境因予进行折算以充分利用各种试验信息进行可靠性评定。但是，环境因子本身 豹臻定帮是投凳困难戆，簌往震要奁秀聋孛舔凌下迸露大量戆霹靠矮试验方憩获愆较舞凌确 的环境因寻。 环境因予是表征相同产品在不同的环境中失效快慢的一个参数，它反映了环境对产品 可靠性影响龅严酷等级。确定环境因予照可靠性工稷怒环壤工程麸同关心斡潆联。环境因 予豹研究和发震过程是沿麓两条圭线滋彳予豹，第一条盎线是产品麓次，蔫二条燕线是产品 的寿命分布类型。从产品滕次来看，环境因子研究经历了从元器件到整机再到系统的发展 过程。环境鼢予的概念最初是针对元器件提出来的，猩m i l h d b k 2 1 7 系列标准中，给出 了不嚣类墅霭器终在典登群凌下糍对予羹鏊嚣蹇好强壤熬繇凌毽子淑壤，荛定量颈诗产品在 不同环境下的可靠性提供了基础。后来，环境因子的概念逐步摧广到了设备、系统等高层 次产品，作为不同环境下可靠性数据等效折算与综合的重要手段。从产品的寿命分布类型 辩乏著，环境因予研究最初怒针对指数型产黯( 主要是瞧子元器件和电子设备) 进行的，后 来夔着磅究豹深入弱实舔王程戆嚣要，逐步扩曩妥了簸效鍪、薅数歪态登、w e i b u l l 壁等常 用的寿命分布类型。 纂5 菱 囡防科学技术大学研究生院学位论文 早在1 9 6 5 年，钱学森就提出了天地折合问题，即产品的地面信息与飞行试验信息如 嚣辑算及练台鲍瓣题，其孛懿毽会了嚣境鞭子趣趱1 4 】划松、墨颞撑【3 “、周源泉f 4 】等毙 后讨论了指数分布环境因子的问题。徐福荣【3 2 l 、周延昆 3 3 1 分别研究了正态分布环境因子和 w e i b u l l 分布环辘因子豹确定方法。瓣源泉1 4 l 雳b a y e s 方法帮f i d u e i m 方法绘滋了二壤分毒、 g a m m a 分布和负对数g a m m a 分布环境因子的精确限和近似限。田国梁【3 4 j 用经典方法研究 了= 项分布的环境因予，给磁了二项环境因子靛磷个经典近截隈，一个适用子高霹靠往产 品的p o i s s o n 近似，另个适用于低可靠蚀产品的正态二阶近似。对藏态、w b i b u l l 分布的 环境因子，l a w l e s s 3 5 1 、徐福荣陶、周延鼹f 3 3 】、张彪p q 等做了研究。1 9 9 7 年，周源泉在熟 专藩中分别讨论了指数单元、指数帛联系统、成败型单元、对数正态单元、w i i b u l l 分布、 w b i b u l l 过程单元及g a m m a 单元的环境因子的点估计和区间估计，对后面三种单元还给如 了失效瓤理不交瓣捡验方法f 37 i 。j 塞兢空靛天大学可靠拣工程磅究瓤在“丸五”亵“十五” 研究中，分别提出了綦于d u a n