基于模糊评判模型的民机可靠性分配方法研究

郑庆

【摘 要】利用模糊理论基础及分析方法，综合考虑民机研制中模糊和不确定因素对可靠性分配结果的影响，从评价集设置、因素权重值赋值等方面，建立了模糊可靠性分配的数学模型，提出一种模糊评判矩阵方法来确定影响民机可靠性因素的权重。

【关键词】模糊评判；可靠性分配；飞机研制

0 引言

随着科学技术的高速发展以及各种新型复杂系统的建立，经典可靠性的传统研究方法与系统复杂化的矛盾日益突出。模糊理论与技术能够较好地描述与仿效人的思维方式，总结和反映人的体会与经验，对复杂事物和系统可以进行模糊度量、模糊识别、模糊推理、模糊控制与模糊决策。可靠性在民用飞机的设计、制造、使用和维护中占有重要地位，是民机设计的重要质量特性之一，影响飞机的安全使用和经济性。

在飞机可靠性分析工作中，包括可靠性参数定义和指标、可靠性预计与分配、可靠性设计、可靠性评估等都存在着许许多多模糊不确定和小样本的信息，经典的可靠性理论并不是非常适用，但也有部分在可靠性预计与分配方法中运用到评分、权重、影响因素等模糊理论方法。本文综合运用模糊理论并充分考虑民机研制过程中可靠性工作的特点，提出一种基于模糊评判模型的民机可靠性分配方法，为民用飞机可靠性的最优分配提供科学依据。

1 民机模糊可靠性

1.1 可靠性概念的模糊性

传统的可靠性观念建立在二值逻辑基础之上，它反映了人类的精确思维方式。但是，人类除了可以进行精确思维之外，还可以进行模糊思维。而后者在人类的思维活动中占主导地位。表现在飞机可靠性方面，人们除了关心“飞机的可靠性（指标）是多少？”（用精确数字回答）之外，更习惯于这样一些提问： “飞机的可靠性高不高？飞机的安全性好不好？飞机可靠性很高的可能性有多大？”可靠性设计的目的是使设计产品性能好、效率高、成本低、寿命长、安全可靠、使用维护方便、运转平稳等。这里的“好一坏”、“高一低”、“长一短”、“危险一安全”、“方便一麻烦”、“平稳一不平稳”等都是模糊概念。

1.2 故障状态的模糊性

在经典可靠性理论中，对系统状态作有二值状态假设，即系统只有两种状态，要么完全正常，要么完全故障（失效）。从而系统性能指标的取值范围被划分为截然不同的两部分，一部分标志系统完好，另一部分标志系统故障，然后根据系统的实际可靠性指标值落入哪一部分判断系统故障与否。显然这种划分在许多情况下严重脱离工程实际。

实践表明，在飞机系统工程中，由于耗损所引起性能下降最终导致故障的现象是极为普遍的，例如，航空发动机叶片因微裂纹的扩展而断裂进入失效状态。在进入失效状态之前，叶片经历了一个完好到失效的过渡过程，即从完好到出现裂纹，从裂纹扩展到完全断裂，存在一发展过程，在这个过程中，叶片既不是完好，又不是完全断裂，其状态是模糊的。又如，飞机液压系统因漏油而进入故障失效状态。在此之前，液压系统就经历了一个从完好到故障的过渡状态。即开始渗漏，到渗漏增大，直到渗漏超限而被判为故障状态。像这样的从完好到故障的现象，对立的两极是通过一系列的中介状态相互联系、相互渗透、相互转化的，中介过程呈现出“亦此亦彼”的模糊状态[1]。

飞机自身结构的复杂、飞行环境的恶劣、飞行循环次数多都会造成飞机结构和设备疲劳、磨损和蠕变，如电气设备绝缘的老化，电子设备的参数漂移，液压系统的油污染等。此时存在着模糊故障状态，而离散有限状态假设是不成立的，应该以模糊状态假设替代之。所谓模糊状态假设是指故障判据是模糊的，即在任一时刻，系统在某种程度上处于模糊正常状态，又在某种程度上处于模糊故障状态。

1.3 可靠性数据的模糊性

经典可靠性理论应用概率方法是建立在大样本存在的前提上的。而飞机系统复杂，集成度高，不可能通过大量的试验来获取可靠性数据，而且使用中的可靠性数据也相对较少，收集到的数据本身具有模糊性。

在常见的飞机可靠性分析方法中，例如评分分配法、评分预计法、小样本可靠性分析法、无故障可靠性分析法等都用到一个重要的数据源就是专家经验，经验是以模糊不确定的方式出现；相似产品法、应力分析法、故障率预计法、统计回归法等引入了修正系数，但因航空产品的复杂性，修正系数较难精确确定（这往往是模糊决策的问题）。虽然上述方法多多少少引入了模糊概念，但所运用的数学工具是精确数学，无法充分运用模糊信息，所以有较多的应用限制。

1.4 可靠性影响因素模糊性

可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。“规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件，如温度、湿度、振动、冲击、辐射等环境条件，使用时的应力条件，维护方法，存储时的储存条件，使用维修时对操作维修人员的技术等级要求等。这些条件没法用一个精确的数字来概括，通常是设定一个大概的取值范围来反映条件的好坏。更有甚者，只用使用环境“好”、“差”；维修力量“强”、“弱”等模糊评价。

比如，在民机签派可靠性研究中，对其影响因素进行分析时，包括：固有可靠性、可靠性方案、维修力量及方案、机场基础设施、备件支援力量、航空公司运营管理水平等因素。上述大部分因素与人有关，人的思维更偏向于模糊性，因素自身内部又有很多复杂的纵横交错，再加上许多因素加在一起，更加造成了签派可靠性的模糊性。

1.5 可靠性分析假设的模糊性

在经典的可靠性分析理论中，为了简化计算方便，常常会有假设前提。

1）在可靠性试验中，总假设试验条件与实际工作所处的自然条件一样，然而试验手段受客观条件的限制而造成测试结果的不完全正确所产生的不确定性；

2）在可靠性数据统计分析时，常得到定数截尾、定时截尾、不完全数据等，这样用有限的试验样本代替无限样本所产的可靠性数据不确定性；

3）在可靠性建模时，会对模型进行简化，假设单元属于某种可靠性连接模型，由此也会产生模型信息的不确定性；

4）在可靠性数学分析时，常常会假设某单元寿命服从指定的数学分布形式，或通过统计学分析其分布规律再近似可靠性参数服从某种数学分布。这些都会对分析结果产生模糊性。

总的来讲，在飞机研制及使用可靠性工作中，存在各种模糊不确定信息。这些模糊性对系统的可靠性的影响有时甚至比由于变量本身固有的随机性带来的影响更为重要。但由于这些模糊性有许多是未知的、无法量化的或变化规律不清楚（信息不全）的，用经典可靠性理论和方法进行描述是非常困难，也不符合实际。而设计者又必须在这些不完善的条件下进行决策和设计，必须借助新的工具，建立新的可靠性观念和方法，以摆脱目前的困境。为此模糊理论不可避免地进入可靠性领域。

4 结论

可靠性分配的本质是一个工程决策过程，是一个综合权衡优化的问题。由于决策过程本身的复杂性，以及影响飞机可靠性的因素大多具有模糊性和不确定性，使得使用传统的可靠性分配方法难以得出科学客观的结果。基于以上问题，本文提出一种基于模糊综合评判模型的民机模糊可靠性分配方法，应用模糊评判理论，并充分考虑了各种可靠性影响因素及模糊性，其核心是应用模糊决策理论方法评估部件之间的相对可靠性系数，使得分配结果更准确真实，为为民机研制过程中从系统级到子系统级进行客观、合理的可靠性分配提供科学依据，从而确保新研制的民用飞机具有高的可靠性。

【参考文献】

[1]赵德孜.机械系统设计初期的可靠性模糊预计与分配[M].北京：国防工业出版社.

[2]Ayag Z. An integrated approach to evaluating conceptual design alternatives in a new development environment[J]. Journal of Production Research， 2005， 43（4）： 687-713.

[3]赵德孜，温卫东. 基于模糊综合评判的航空发动机可靠性分配方法[J].航空发动机，2005，3（1）：22-27.

[4]邵旭飞，宋保维，毛昭勇，等.串联系统可靠性分配的模糊层次分析方法[J].弹箭与制导学报，2007，27（1）：250-253，256.

[5]Vanegas L V， Labib A W. Fuzzy approaches to evaluation in engineering design[J]. ASME Journal of Mechanical Design， 2005， 127（1）： 24-33.

[责任编辑：杨玉洁]