基于可靠性增长的可靠性鉴定试验方案.pdf
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1、第 卷第 期 年 月系统工程与电子技术 文章编号:()网址:收稿日期:;修回日期:;网络优先出版日期:。网络优先出版地址:基金项目:国家自然科学基金()资助课题通讯作者引用格式:张点,邢云燕,蒋平基于可靠性增长的可靠性鉴定试验方案系统工程与电子技术,():犚犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲犳 狅 狉犿犪 狋:,():基于可靠性增长的可靠性鉴定试验方案张点,邢云燕,蒋平(国防科技大学系统工程学院,湖南 长沙 )摘要:针对现行可靠性鉴定试验标准 中提供的试验鉴定方案存在试验时间过长或试验风险过大,且当前可靠性鉴定试验设计大多只依赖于产品自身的寿命数据,而对产品研制过程中的可靠性增长数据利用较少的问题
2、,以寿命服从指数分布的产品为研究对象,基于美军陆军装备分析中心提出的可靠性增长模型模型对产品研制阶段的可靠性增长过程进行建模。再利用 方法基于产品可靠性增长过程的试验数据来获取产品寿命分布,计算产品可靠性鉴定试验方案的生产方风险和使用方风险,进而推导得到满足风险要求的产品可靠性鉴定试验方案。通过实例分析以及与 所提出的试验方案对比,验证了所提方法的可行性与先进性。关键词:可靠性鉴定试验;可靠性增长过程;指数分布;方法中图分类号:文献标志码:犇犗犐:犚犲 犾 犻 犪 犫 犻 犾 犻 狋 狔狇 狌 犪 犾 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀狋 犲 狊 狋狆 犾 犪 狀犫 犪 狊 犲 犱狅 狀狉 犲
3、 犾 犻 犪 犫 犻 犾 犻 狋 狔犵 狉 狅狑 狋 犺 ,(犆狅 犾 犾 犲 犵 犲狅 犳犛狔 狊 狋 犲犿狊犈狀犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀犵,犖犪 狋 犻 狅 狀 犪 犾犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔狅 犳犇犲 犳 犲 狀 狊 犲犜犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵狔,犆犺 犪 狀犵 狊 犺 犪 ,犆犺 犻 狀 犪)犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:(),(),犓犲 狔狑狅 狉 犱 狊:();引言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,是衡量产品质量好坏的重要指标。随着科学技术的迅速发展,产品的功能变得越来越复杂,构成的元件越来越多,当前产品也面临着多变且急剧变化的环境
4、,在这种情况下,人们对产品可靠性的要求也越来越高。因此,需要在研制阶段就要设计出高可靠性的产品。可靠性鉴定试验是在产品研制阶段验证产品的可靠性是否达到可靠性要求的试验,试验的结果也可以为产品的状态鉴定提供依据。现有的产品可靠性鉴定试验主要依据是 可靠性鉴定和验收试验。但是,该标准是针对指数分布产品来设计可靠性鉴定试验方案的,且其中的定时截尾试验方案存在试验样本量较大和试验时间较长的问题,而标准中提供的短时定时截尾试验方案的生产方风险和使用方 系统工程与电子技术第 卷风险又较大。其中,生产方风险是指产品可靠性实际上是合格的,但通过抽样试验后该批产品被拒收的概率;使用方风险是指产品可靠性实际上是不
5、合格的,但通过抽样试验后该批产品被接受的概率。在工程实践中,由于高成本和研发周期的压力,往往难以提供足够的样本量和足够的试验时间来开展鉴定试验,且不论生产方风险过大还是使用方风险过大都是难以接受的。为解决上述困难,一些学者提出利用产品研制阶段的试验数据来推导产品的鉴定试验方案。例如,从研制阶段获得产品的可靠性增长数据、相似产品的可靠性数据、专家经验等产品先验信息,通过 方法将其应用于可靠性鉴定试验的设计中。文献提出在产品设计发生变化时应用 方法来设计可靠性鉴定试验,通过利用产品在设计变更之前的早期版本试验中收集的数据,避免了对重新设计的产品进行重复试验,并有助于减少试验所需的样本量。但该方法仅
6、考虑成败型产品的试验数据,未考虑试验的两类风险。文献基于产品的多阶段研制过程,首先考虑用第二类极大似然估计方法将产品不同阶段的试验数据结合起来,再基于 方法,从生产方风险和使用方风险相均衡的角度,设计了产品样本量最小的可靠性鉴定试验方案。由于成败型产品较为常见,故而在利用研制阶段设计成败型产品的可靠性鉴定试验方面较多。文献利用模型对成败型产品研制过程的可靠性增长进行建模,基于最大使用方风险的条件,结合 方法,确定了成败型产品的可靠性鉴定试验方案,并结合实例验证了该方法的合理性与可行性。文献 基于产品研制阶段的多源信息,通过数据转化的方法,将产品不同阶段试验数据结合起来,进而设计了成败型产品的可
7、靠性鉴定试验方案,与传统试验方案相比,该文所设计试验方案能较好地降低试验所需样本量。文献 将产品的可靠性增长数据用于成败型产品的可靠性评估中,首先利用最大熵原则处理产品的先验信息,而后利用矩等效方法确定产品寿命的先验分布,再基于 方法对产品可靠性进行了评定。国内外学者还对较常见的指数分布产品的可靠性鉴定试验设计进行了研究。文献 针对指数型产品,通过利用 模型对产品研制阶段的失效率变化过程进行建模,给出了产品可靠性增长过程中的不同试验信息的似然函数,进而给出了变总体产品的可靠性鉴定方案,但采取的 模型精度不高,导致对产品可靠性的估计存在偏差。文献 基于产品的研制阶段信息,利用多层 方法对指数型产
8、品的可靠性验收试验方案进行了研究。考虑到产品由于研制过程会对产品暴露的缺陷进行改进,也就是各阶段所获取的可靠性试验信息来自于一个动态变化的母体,故而有学者研究了变总体条件下,基于 方法,结合产品研制阶段的多源信息来进行产品可靠性的鉴定。在近两年的可靠性鉴定试验研究中,众多学者主要是从如何降低试验风险、控制试验成本,以及利用产品研制阶段信息的角度设计可靠性鉴定试验 。例如,文献 和文献 通过控制生产方风险和使用方风险,综合考量试验时间与试验样本量来设计产品的可靠性鉴定试验。文献 依据给定的可靠性鉴定试验的生产方和使用方风险,利用子系统试验数据来设计系统的可靠性鉴定试验。文献 总结了传统二项分布可
9、靠性鉴定试验的缺点,提出了一种利用 方法来融合专家的判断和历史数据,以减少鉴定试验的样本量的可靠性鉴定试验设计方法,该方法可用于考虑多个时间间隔或多种失效模式的多状态可靠性鉴定试验设计。综上所述,当前学者从模型构建和参数确定的角度出发,对如何利用产品研制阶段的试验数据来评估产品的可靠性进行了较多研究。在产品可靠性鉴定试验设计上,当前主要是研究了成败型产品的可靠性鉴定试验方案设计,但对于指数分布及其他分布产品的可靠性鉴定试验设计的研究不够充分。当前研究也表明,研制阶段的试验数据的充分利用有助于可靠性鉴定试验的设计。故当前需要进一步研究如何利用产品研制阶段的可靠性试验信息,进行产品可靠性鉴定试验设
10、计。此外,当前产品的可靠性鉴定试验是依据鉴定试验中的失效数据来判别是否接受产品的,通常需要较多的失效数据才能做出判决。但实际工程实践中,由于工艺水平的提升,产品可靠性一般较高,这使得如果按照失效数是否达到要求来判断产品是否通过可靠性鉴定试验,往往会导致试验时间过长、成本较高的问题。本文从工程实际出发,针对较常见的指数分布型产品,研究了如何利用研制阶段的可靠性增长数据来推导可靠性鉴定试验方案。首先,针对研制阶段采取及时修正策略的指数分布型产品,基于模型对其可靠性增长过程进行建模,并估计产品的失效率;然后基于 方法,获取产品失效率的先验分布和后验分布,进一步依据生产方风险和使用方风险确定产品当前阶
11、段的可靠性鉴定试验方案;最后结合实际案例从理论上说明了方案的可行性和合理性。问题假定与描述产品的研制过程通常是分阶段的,在每一阶段结束时对产品进行可靠性试验,在每一阶段试验结束后,在下一阶段对试验过程中产品出现的问题进行改进,然后再进行试验,根据试验结果来判定可靠性是否符合要求。如果不符合要求则要进行下一阶段的改进和试验,直至达到要求为止。在这一过程中,由于每一阶段的试验会对暴露的缺陷进行修正,使得下一阶段产品可靠性高于前一阶段产品可靠性,故而可认为产品研制过程也是可靠性增长过程。基于此认识,本文的研究对象假定如下。()产品寿命服从参数为的指数分布,其概率密度函数为犳(狓)狓,狓()第 期张点
12、等:基于可靠性增长的可靠性鉴定试验方案 ()产品在研制阶段采取及时修正策略,即在每一阶段试验中一出现故障便对产品进行修理与改进,而后继续进行试验。()假设在研制阶段,产品已经进行了犿个阶段试验,每个阶段试验相互独立,本文意在求经过犿个研发阶段和对应的试验后,产品的可靠性鉴定试验方案。可靠性增长过程建模对于可靠性增长过程的描述,当前已有许多经典的可靠性增长模型,如 模型、模型、模型等 。模型是美国学者 提出的,亦称为 模型,是基于 模型建立的。模型是一个应用广泛的可靠性增长模型,其优点在于模型简单直观,但不够精确,无法对实际增长过程进行分析与评估。模型则克服了 模型的缺点,能较精准地对实际增长过
13、程进行分析与评估,从而更好利用产品可靠性增长过程中的可靠性信息。模型是从时间序列分析中引进而来的,该模型比较适用于描述起初可靠性增长速度较慢,随后加快,到达某一顶点后增长速度开始减慢的情况。综合考虑种模型,相对于 模型,模型对可靠性增长过程的分析更加准确,且 模型是离散型模型,对于指数分布产品,连续型的模型更加适合,再加上目前模型已被军用标准 采用,故而本文选择模型进行可靠性增长过程建模。模型认为产品的累计故障数犖(狋)在狋时间内服从均值为(犖(狋)犪 狋犫的非齐次泊松分布,强度为(狋)犪 犫 狋犫,其中犪为尺度参数,犫为形状参数,犪、犫均是待估参数。犘犖(犜)狀(犪 狋犫)狀狀!(犪 狋犫)
14、()对于定时截尾试验,假设试验截尾时间为犜,累计故障数为狀,则参数犪、犫的点估计值为犪狀犜犫,狀犫(狀)狀犻 犜狋犻,狀狀 犜狋犻,狀烅烄烆烅烄烆()在得到参数犪、犫的点估计值后,可以计算出产品的第犿次及第犿次故障发生的时间分别为狋犿犿()犪犫狋犿犿()犪烅烄烆犫()可得产品在及时修正策略下,经犿次可靠性增长试验后产品失效率的估计值为犿狋犿狋犿犪犫犿犫(犿)犫()可靠性鉴定试验设计为控制试验成本,充分利用产品研制阶段试验数据,本文基于 方法,综合考虑生产方风险和使用方风险来进行产品可靠性鉴定试验设计。由于指数分布产品较常见且具有代表性,目前已有研究表明其他寿命分布产品的可靠性研究可以将其转化为
15、指数分布研究,故本文以指数分布产品为研究对象,进行产品的可靠性鉴定试验设计。可靠性鉴定试验设计方法的基本思路如下:首先根据产品研制阶段的试验数据,基于模型对产品的可靠性增长过程建模,并获得产品在研制阶段后期的失效率估计值,将获得的失效率估计值作为待鉴定产品寿命分布的先验信息,再基于 方法,确定该产品失效率的先验分布及后验分布,最后依照产品可靠性的研制要求,根据生产方和使用方风险来确定产品的可靠性试验鉴定方案,如图所示。图可靠性鉴定试验方案设计步骤 先验分布的确定由于共轭先验具有先验分布与后验分布具有相同一阶、二阶矩的性质,在实际应用中便于计算后验分布。因此,对于失效率为的指数分布产品,选取伽马
16、分布(,)作为失效率的共轭先验分布,即失效率的先验分布为()()()烅烄烆()式中:是形状参数;是尺度参数。本文采取矩估计进行模型的参数估计,即()()()()()烅烄烆()为了获得先验分布中形状参数和尺度参数的值,假设产品在研制阶段进行了犿次试验,可以通过可靠性增长模型来对产品第犿次试验结束后的失效率进行估计,而后再利用矩估计的方法获得产品先验分布的参数的值。根据第节,利用可靠性增长模型获得第犿次试验后的失效率估计值为 系统工程与电子技术第 卷(犿)犿()为在尽可能满足给定验前信息约束的条件下,使信息的不确定性达到最大,采取最大熵法求其先验分布。依据最大熵原理,第犿次试验后,产品失效率犿的验
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