CN111625900A - 一种直升机系统任务可靠度仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于直升机可靠性技术领域，涉及一种仿真计算直升机复杂系统任务可靠度的计算方法；步骤如下：根据直升机系统结构原理，构建任务可靠度模型，并判别各种连接形式模型的计算方法，所述连接形式模型分为串联模型、并联模型、旁联模型、表决模型；确定所述连接形式模型中单元模块的失效概率分布并进行抽样；针对不同的任务剖面，确定系统任务参数，仿真计算任务时间迭代步长、系统抽样次数，计算得到任务时间下的系统可靠度以及系统预计的系统失效时间。本发明方法有效针对各类复杂系统进行任务可靠度和系统失效时间计算，并分析任务可靠度随系统任务时间的变化趋势，从而在直升机研制全周期过程中可以针对任务可靠度进行理论计算。

Description

一种直升机系统任务可靠度仿真计算方法

技术领域

本发明属于直升机可靠性技术领域，涉及一种直升机系统任务可靠度仿真计算方法。

背景技术

对于直升机军用装备，其可靠性水平一直备受用户及研制方的重点关注，在一定任务剖面下的任务完成水平才能真正体现该装备的实用性及实战性，因此，目前在军用直升机研制过程中，整机及系统的任务可靠度就备受军方和用户关注，并要求在论证过程中进行说明及预计。对于整机来说，各个系统的串并联关系并不复杂，可以通过数学解析法进行相关计算；然而对于复杂系统来说，多余度的架构会导致各个LRU处于复杂的连接关系，因此无法进行数学解析计算。

同时，在军用直升机型号研制过程中，任务可靠度计算一般假设模块的失效概率为指数分布；对于失效概率服从其他分布函数的系统模块，如正态分布、泊松分布等，无法给出简明数学解析式进行计算。

发明内容

本发明的目的是：设计一种直升机系统任务可靠度仿真计算方法，解决当系统模块失效概率服从指数分布之外的分布函数时，目前的数学解析方法无法进行求解计算的技术问题。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一种直升机系统任务可靠度仿真计算方法，包含以下步骤：

步骤一、根据直升机系统结构原理，构建任务可靠度模型，并判别各种连接形式模型的计算方法，所述连接形式模型分为串联模型、并联模型、旁联模型、表决模型；所述表决模型是指具有多余度表决功能的系统模块；

步骤二、确定所述连接形式模型中单元模块的失效概率分布并进行抽样；

当单元模块失效时间为指数分布时，按照以下公式进行单元模块失效时间 t_j的抽样：

式中：r_j为(0，1)区间的随机数，λ_i为单元模块的故障率；

当单元模块失效时间为正态分布时，按照以下公式进行单元模块失效时间 t_j的抽样：

式中：μ_i为单元模块的故障率，σ_i为标准差，r_j为(0，1) 区间的随机数，

为标准正态分布的r_j分位数；

当单元模块失效时间为对数正态分布时，按照以下公式进行单元模块失效时间t_j的抽样：

式中：μ_i为单元模块的故障率，σ_i为标准差，r_j为(0，1) 区间的随机数，

为标准正态分布的r_j分位数；

步骤三、针对不同的任务剖面，确定系统任务参数，仿真计算任务时间迭代步长、系统抽样次数，计算得到任务时间下的系统可靠度以及系统预计的系统失效时间。

串联模型的系统失效时间t_s通过以下公式计算：

t_s＝min(t₁，t₂，…，t_n)，t_i(i＝1，2，…，n)为系统中各单元模块的失效时间。

并联模型的系统失效时间t_p通过以下公式计算：

t_p＝max(t₁，t₂，…，t_n)，t_i(i＝1，2，…，n)为系统中各单元模块的失效时间。

旁联模型的系统失效时间t_b计算如下：

当旁联系统的转换装置为完全可靠部件时，计算公式为：

当旁联系统的转换装置为失效概率部件且失效时间为t_w，计算公式为：

式中，t_i(i＝1,2,...,n)为系统中各单元模块的失效时间。

表决模型的系统失效时间先通过表决判断准则确定并联关系，再利用并联模型的系统失效时间进行计算。

所述任务剖面是指：直升机执行的不同任务要求，包括战斗、救援、保障。

所述任务参数是指任务时间、判别关系和累积准则。

判别关系是指：当系统工作失效时间大于等于系统规定任务时间，即认为系统任务完成。

累积准则是指：通过足够次数的大量取样迭代计算后，系统任务完成次数与总取样次数的比值即为在此任务时间下的系统任务可靠度。

本发明的有益效果是：

本发明的方法可以有效针对各类复杂系统进行任务可靠度和系统失效时间计算，并分析任务可靠度随系统任务时间的变化趋势，从而在直升机研制全周期过程中可以针对任务可靠度进行理论计算。

该方法最大的突破是可以让设计人员和可靠性工作人员按照实际结构进行任务可靠性模型搭建，而不是一直遵循简单的串并联模型；同时可以按照实际统计的模块失效概率参数进行计算，而不是一直采用指数分布。因此，该发明极大的提高了直升机型号研制过程中的任务可靠度计算准确性，提供既符合工程实际又效果良好的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的仿真计算流程图；

图2为本发明的一个实施例的系统架构图；

图3为连接形式模型示意图，其中(a)为串联模型，(b)为并联模型，(c) 为旁联模型。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。

在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。如图2为本发明的一个实施例的系统架构图，具体计算过程如下：

1)确定直升机系统架构

针对如图2所示的直升机系统结构原理，合理构建任务可靠度模型，并判别各种连接形式的计算方法。如图3为串联、并联和旁联的连接形式示意图，

对于多模块系统来说，需要针对系统构成进行判断，从而：

t_s＝min(t₁，t₂，…，t_n)

t_p＝max(t₁，t₂，…，t_n)

式中：t_a，t_p，t_b分别为串联、并联和旁联系统失效时间；t_i(i＝1，2，...，n)为系统中各模块的失效时间。当旁联系统的转换装置也为失效概率部件且失效时间为 t_w，旁联系统失效时间为：

对于表决门模型系统可以参照并联系统进行失效时间确定。

2)确定架构中模块的失效概率分布并进行抽样

确定了失效概率服从不同分布的系统模块，需要进行工作时间的抽样计算对于单元模块失效时间为指数分布时，概率密度密度为：

f(t)＝λe^-λt(t≥0，λ＞0)

当故障率λ_i数值给定时，单元模块的失效时间为：

式中：r_j为(0，1)区间的随机数。

对于单元模块失效时间为正态分布时，概率密度函数为：

对于给定均值μ_i和标准差σ_i，单元模块的失效时间为：

式中：r_j为(0，1)区间的随机数，

为标准正态分布的r_j分位数。

对于对数正态分布来说，上式可以变化为：

3)蒙特卡洛仿真计算并验证

3.1确定蒙特卡洛仿真计算参数

针对不同的任务剖面，确定系统规定任务时间、仿真计算任务时间迭代步长、系统抽样次数等；任务剖面包括直升机执行战斗、救援、灭火、保障运输等任务的相关要求。如图2中系统，确定各个单元模块的失效概率(10^-6/h)如下表1所示：

表1

单元模块名称	失效分布	失效概率(10<sup>-6</sup>/h)
			A	指数	900
B	正态	均值；80方差：20
			C	指数	60
D	正态	均值；125方差：40
			E	正态	均值；400方差：120
F	指数	10
			G	指数	8

3.2验证本发明的蒙特卡洛仿真计算方法的有效性

针对图3中的三种简单模型构型进行计算验证，分别采用串联、并联及旁联系统与解析计算结果进行对比验证，这里模块的失效模型都假设为指数分布。选取两个单元进行上述组合，其模块失效概率分别为λ_A＝1000×10^-6/h和λ_B＝500×10^-6/h，这里将旁联系统中的转化装置假设为完全可靠度。通过解析及仿真计算，可以得到对比结果如下表2所示：

表2

上表中可以看到解析结果和仿真结果基本相同，误差值小于1％，说明本发明可以有效针对各类型系统进行任务可靠度和系统失效时间计算。

4)确定计算流程中的判别关系和累积准则

当系统工作失效时间大于等于系统规定任务时间，即认为系统任务完成，这是迭代过程中最为重要的判定：

TSF≥T_m

通过足够次数的大量取样迭代计算后，可以认为系统任务完成次数与总取样次数的比值即为在此任务时间下的系统任务可靠度：

5)通过编写的程序进行仿真计算，并对结果进行分析

通过蒙特卡洛仿真模拟，得到不同时间下得系统可靠度，拟合后可以得到时间域内的系统可靠度曲线，从而进行相应的数据分析。

在常规保障运输任务剖面下，仿真计算得到该系统的任务可靠度和系统失效时间如下表3所示。

表3

任务时间1h	任务可靠度	系统失效时间
			直升机某系统	0.99903	264.683

本发明的计算结果表明，在该任务剖面下完成1h任务的任务可靠度很高，其完成任务的可靠度随时间变化逐步降低，但仍在较高水平，其系统可靠性水平可以良好保障直升机战备任务的完成。

本专利基于蒙特卡洛仿真模拟方法，设计了计算复杂系统架构的一般流程，并通过简单结构对比验证了程序的有效性，最后基于直升机某复杂系统进行了任务可靠度仿真模拟，首次实现了蒙特卡洛仿真在直升机可靠性领域内的工程应用。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直升机系统任务可靠度仿真计算方法，其特征在于：所述直升机系统任务可靠度仿真计算方法包含以下步骤：

步骤一、根据直升机系统结构原理，构建任务可靠度模型，并判别各种连接形式模型的计算方法，所述连接形式模型分为串联模型、并联模型、旁联模型、表决模型；所述表决模型是指具有多余度表决功能的系统模块；

步骤二、确定所述连接形式模型中单元模块的失效概率分布并进行抽样；

当单元模块失效时间为指数分布时，按照以下公式进行单元模块失效时间t_j的抽样：

式中：r_j为(0,1)区间的随机数，λ_i为单元模块的故障率；

当单元模块失效时间为正态分布时，按照以下公式进行单元模块失效时间t_j的抽样：

式中：μ_i为单元模块的故障率，σ_i为标准差，r_j为(0,1)区间的随机数，

为标准正态分布的r_j分位数；

当单元模块失效时间为对数正态分布时，按照以下公式进行单元模块失效时间t_j的抽样：

式中：μ_i为单元模块的故障率，σ_i为标准差，r_j为(0,1)区间的随机数，

为标准正态分布的r_j分位数；

步骤三、针对不同的任务剖面，确定系统任务参数，仿真计算任务时间迭代步长、系统抽样次数，计算得到任务时间下的系统可靠度以及系统预计的系统失效时间。

2.根据权利要求1所述的直升机系统任务可靠度仿真计算方法，其特征在于：串联模型的系统失效时间t_s通过以下公式计算：

t_s＝min(t₁，t₂，...，t_n)，t_i(i＝1，2，...，n)为系统中各单元模块的失效时间。

3.根据权利要求1所述的直升机系统任务可靠度仿真计算方法，其特征在于：并联模型的系统失效时间t_p通过以下公式计算：

t_p＝max(t₁，t₂，...，t_n)，t_i(i＝1，2，...，n)为系统中各单元模块的失效时间。

4.根据权利要求1所述的直升机系统任务可靠度仿真计算方法，其特征在于：旁联模型的系统失效时间t_b计算如下：

当旁联系统的转换装置为完全可靠部件时，计算公式为：

当旁联系统的转换装置为失效概率部件且失效时间为t_w，计算公式为：

式中，t_i(i＝1,2,...,n)为系统中各单元模块的失效时间。

5.根据权利要求1所述的直升机系统任务可靠度仿真计算方法，其特征在于：表决模型的系统失效时间先通过表决判断准则确定并联关系，再利用并联模型的系统失效时间进行计算。

6.根据权利要求1所述的直升机系统任务可靠度仿真计算方法，其特征在于：所述任务剖面是指：直升机执行的不同任务要求，包括战斗、救援、保障。

7.根据权利要求1所述的直升机系统任务可靠度仿真计算方法，其特征在于：所述任务参数是指任务时间、判别关系和累积准则。

8.根据权利要求7所述的直升机系统任务可靠度仿真计算方法，其特征在于：判别关系是指当系统工作失效时间大于等于系统规定任务时间，即认为系统任务完成。

9.根据权利要求7所述的直升机系统任务可靠度仿真计算方法，其特征在于：累积准则是指系统任务完成次数与总取样次数的比值即为在此任务时间下的系统任务可靠度。

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