（运筹学与控制论专业论文）系统模糊可靠性研究.pdf

摘要模糊性在实际工程中广泛存在，而且当样本较小时，模糊性在可靠性分析中起决定性作用。模糊可靠性理论分析方法产生的现实基础使现代工程系统越来越复杂，对系统及其零部件状态水平的描述要求更加详实，人们对于产品和系统的可靠性要求越来越高，常规的二值状态可靠性设计理论已经不能够满足实际要求。模糊可靠性模型致力于模拟这些情况下的系统，提供了更切合实际的系统表述。因此，基于模糊集合理论的可靠性分析、评估、分配、预测等方法应运而生，尤其是在复杂系统可靠性早期设计与分析、人机综合可靠性研究等方面，模糊分析方法具有很强的适用性。模糊数学方法从本质上改进了传统可靠性分析方法的局限与不足，是一种更符合事物发展本质的分析方法。模糊可靠性问题的关键是如何建立通用可靠性模型及寻找有效的算法用于系统性能的评价，研究结果可望在工程系统的模拟和设计方面得到广泛应用。这种理论分析方法具有重要的理论意义，其应用前景广阔。本文研究内容属于可靠性理论、模糊数学、随机过程理论、机械工程与系统工程的交叉领域，使用可靠性理论和模糊可靠性理论来对大型复杂系统进行可靠性分析，为一些典型系统的可靠性分析建立计算模型，探讨其可靠性指标的分析计算方法。我们在前人研究系统模糊可靠性理论的基础上，在以下几个方面进行较为深入的研究：( 1 ) 系统模糊可靠性模型及应用研究。在经典的可靠性理论的基础上，引入相关的模糊集合理论，对系统可靠性基本模型，如串联、并联、表决等系统进行模糊可靠性建模，确定系统与单元之间的模糊可靠度、模糊失效率、模糊平均寿命等指标之间的关系及其数学表达式。( 2 ) 系统模糊可靠性最优化分配模型及其算法研究。分析了机械模糊可靠性优化设计以可靠度为约束条件和目标函数时的研究方法。详细论述了在模糊可靠性优化过程中将模糊算法转变为常规算法的原理。同时讲述优化设计中的三个基本概念的理解和意义。最后，归纳了三种常见的模糊可靠性最优化分配模型及其算法，即模糊冗余最优化分配、模糊可靠度最优化分配和模糊冗余一可靠度最优化分配模型。( 3 ) 系统可靠性模糊综合评判模型及其算法研究。一方面把对系统可靠度分配有着重要影响的模糊因素加以解析化和数量化，给出了系统可靠性的模糊分配方法，最后推导出了并串联系统的模糊可靠性分配模型。另一方面将水平截集法、模糊综合评判法和优化方法三者结合起来，给出了一种子系统可靠度为不同隶属函数的复杂系统可靠性优化分析方法。这种方法首先利用模糊综合评判法分别找出各子系统可靠度水平值，然后采用水平截集法确定子系统可靠度区间，再利用优化方法对整个系统的可靠性进行分析和决策。关键词：常规可靠性；模糊可靠性；隶属函数；模糊事件；模糊优化；模糊综合评判a b s t r a c tf u z z i n e s si np r a c t i c a le n 舀n e e r i n gw i d e s p r e a d ，a n dw h e nt h es a m p l es i z ei ss m a l l e f f u z z i n e s si nt h er e l i a b i l i t ya i l a l v s i sp l a vad e c i s i v er o l e f u z z vr e l i a b i l i t va n a l v s i sm e t h o db a s e do nt h er e a l i t yt h a tm o d e me n g i n e e r i n gs y s t e m sa l r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yc o m p l i c a t e d p a r t so ft h es y s t e ma n dt h el e v e lo fs t a t ea r er c q u i r e dm o f ed e t a i l e dd e s c r i p t i o n ，a n dp e o p l eh a v ei n c r e a s i n g l yh i g hd e m a n d sf o rt h er e l i a b i l i t y0 ft h es y s t e m ，c o n v e n t i o n a lb i n a t yr e l i a b l es t 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：缸z 巧c o m p h e n s i v ee v a l u a t i o ni兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。储虢名毒。叩眺2 噼厂月歹日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：力丢w导师签名：形叫0日期：? 口。譬年月岁日日期：? 卯罗年月日硕 学位论文第l 章绪论1 1 课题研究背景1 1 1 可靠性发展概述可靠性理论是第二次世界大战以后迅速发展起来的一门新兴边缘学科。可靠性是指“产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力( g b 3 1 8 7 8 2 ) 。国际标准化组织( i s o8 4 0 2 ) 的定义为：单元在给定的环境和运行条件下和给定的时间内完成规定功能的能力。产品的可靠性已经成为衡量产品质量的重要指标之一。这里的产品是广义的，可以指零件、部件、整个产品，也可以指一个系统【l j 。最早提出可靠性理论的是第二次世界大战中德国研究v 2 火箭的技术人员。他们提出了整个火箭系统的可靠性应当等于所有元器件可靠度的乘积，即把小样本问题化为大样本问题进行研究【2 1 。2 0 世纪5 0 年代初，美国为了发展军事的需要，投入大量的人力、物力对可靠性进行了研究。1 9 5 2 年美国国防部成立了电子设备可靠性咨询委员会( a g r e e ) ，开始了系统的可靠性研究。1 9 5 7 年6 月，a g r e e 发表了著名的“军用电子设备的可靠性 报告，提出了在研制及生产过程中对产品的可靠性指标进行试验、验证和鉴定的方法等。这个报告被公认为是电子产品可靠性理论和方法的奠基性文件。从此，可靠性发展成为一门独立的工程学科。1 9 6 0 年美国开始在武器系统研究中全面贯彻可靠性大纲。前苏联在2 0世纪5 0 年代为了保证地球卫星发射与飞行的可靠性，也开始了可靠性的研究工作。日本在1 9 5 6 年从美国引进了可靠性技术，将可靠性技术推广应用到飞机设计以及民用工业部门，取得了很大的成功lz 。英国于1 9 6 2 年出版了“m i c r o e l e c t r o n i c s 锄dr e l i a b i l i t v ”国际杂志。法国国立通讯研究所也在这一年成立了“可靠性中心，进行数据的收集与分析，并于1 9 6 3 年出版了可靠性杂志。国际电子技术委员会( c ) 于1 9 6 5 年设立了电子器件与部件的可靠性技术委员会，1 9 7 7 年又改名为可靠性与可维修性技术委员会，这个委员会对可靠性方面的定义、术语、书写方法、可靠性管理、数据收集等方面进行国际间的协调工作【3 1 。2 0 世纪6 0 年代以来，空间科学和宇航技术的发展提高了可靠性的研究水平，扩展了其研究范围。对可靠性的研究逐步从电子、航空、宇航、核能等尖端工业部门扩展到电机与电力、机械、动力、土木等一般工业部门，扩展到工业产品的各个领域。2 0 世纪7 0 年代可靠性研究步入成熟阶段，2 0 世纪8 0 年代可靠性研究进入深入发展阶段。我国的可靠性研究起步于加世纪6 0 年代，最早开展可靠性工作的是电子工业部，其后航空、航天、机械等领域相继开展了可靠性研究工作。2 0 世纪7 0 年代初，航天部门首先提出了电子元件必须经过严格筛选。进入2 0 世纪8 0 年代后，可靠性研究得到了迅速发展，特别是武器装备的可靠性管理和研究工作取得了长足的进步。我国已经颁布了一系列的可靠性方面的国家标准和国家军用标准，并在大型工程得到了应用【4 1 。从1 9 8 4 年开始，国防科工委组织制定了一系列关于可靠性的基础规定和标准。1 9 8 5 年1 0 月国防科工委颁发的航空技术装备寿命与可靠性工作暂行规定，是我国航空工业的可靠性工程全面进入工程实践和系系统模糊可靠性研究统发展阶段的一个标志。1 9 8 7 年5 月，国务院、中央军委颁发军工产品质量管理条例，明确了在产品研制中要运用可靠性技术。2 0 世纪9 0 年代以来海湾战争和伊拉克战争等又给人们以深刻的启示，未来高技术战争对装备的可靠性提出了更高的要求。可靠性技术的发展不仅推动着国防军事领域相应技术的进步，而且也逐渐地融入了现代社会各个生产领域。随着科学技术的发展，现代社会对产品各方面的要求越来越高，产品的可靠性问题显得日益突出。可靠性作为一门工程科学，它有自己的体系、方法和技术，在其发展过程中形成了3 个主要领域，或称3 个独立学科1 5 j ：1 ) 可靠性数学主要研究解决各种可靠性问题的数学模型和数学方法，它属于应用数学的范畴，主要内容是概率论和数理统计、随机过程、运筹学等。研究较多的领域有：相干结构理论、更新理论、可用性理论、极值分布理论、最佳维修方针、贝叶斯理论、冗余的最优化、多变量寿命分布、蒙特卡罗模拟、随机过程、失效树分析等，研究产品的可靠性设计、分析、预测、分配、评估、验收和抽样等技术的数理统计方法。2 ) 可靠性物理是研究失效现象及其机理和检测方法的学科。它使可靠性工程从数理统计方法发展到以物理化学分析为基础的失效分析方法。从本质上、从机理方面探究产品的不可靠因素，从而为研究、生产高可靠性产品提供科学的依据。可靠性物理在产品故障因素分析方面起了极其重要的作用。3 ) 可靠性工程是对产品( 零件、元器件、设备或系统) 的失效现象及发生概率进行分析、预测、试验、评定和控制的边缘性学科。它的发展与概率论和数理统计、运筹学、系统工程、环境工程、价值工程、人机工程、质量管理、计算机技术、失效物理学、机械学、电子学等学科有着密切的联系。2 0 世纪6 0 年代以来，可靠性工程技术逐步地应用到各个领域内，并迅速地得到了发展和应用，而且日益受到重视，其主要原因如下1 5 j ：1 ) 现代工程系统的结构复杂化和工作环境条件日益严酷促使人们对工程系统的可靠性进行更加深入的研究。现代的工程系统大都是多功能自动化系统，系统元器件数目众多，系统和各元件之间的可靠性关系也变得非常复杂。任意元器件的失效都可能给整个系统带来严重影响。美国“挑战者号和“哥伦比亚 号航天飞机的失事都是由于一些小零件或者局部元器件故障引起的。因此对产品和零件的可靠性的要求越来越高。2 ) 可靠性直接涉及产品的经济效益。国际市场上机械产品的价格与其可靠性水平的高低直接有关。用户在选择产品时不仅考虑一次购入成本，还要考虑全生命周期费用。早在2 0 世纪6 0 年代初，美国有人预言，今后在激烈的国际市场竞争中，只有可靠性高的产品及其企业才能幸存下来。3 ) 可靠性也是国防和军工的需要。高可靠性可以提高装备的作战能力，降低维修保障费用。例如2 0 世纪7 0 年代，美国几乎所有的军事订货合同中都有可靠性与维修性条款，从过去主要追求武器系统的高性能转为更加重视武器系统的可靠性和维修性。4 ) 一些影响范围较大与社会生活密切相关的系统，如电力、网络系统，其可靠性对社会生产产生重大影响。2 0 0 5 年5 月2 5 日，俄罗斯莫斯科市变电站由于线路保护装置调整的不恰当发生爆炸导致了大面积停电，交通和生产一时陷入瘫痪。5 ) 核电、化工等系统的可靠性影响到国家的安全和声誉。这些系统一旦发生事故可能给整个社会带来长期而严重的后果，因此对设备可靠性要求更为突2硕十学侮论文出。例如，1 9 8 6 年4 月前苏联切尔诺贝里核电站爆炸事故，对国家的安全和声誉造成了严重损害。6 ) 发达国家还把可靠性问题提高到节约能源的高度来认识。通过可靠性设计可以得到体积小、重量轻的产品，降低材料消耗和加工工时。对于只要求有限寿命的产品，可靠性设计的优点尤其明显，高可靠性的产品能够以一顶二，甚至以一顶十。在半个多世纪的时间里，许多学者从事可靠性这方面的研究，取得了许多重大的理论成果和工程实践经验。以概率论和数理统计为基础的常规可靠性设计理论，尤其是对二值状态系统可靠性理论的研究已经比较成熟。近十几年来，越来越多的有识之士认识到大型复杂系统特别是多状态系统可靠性的重要性和复杂性，投入了大量的精力进行研究，取得了一批很有价值的成果。目前可靠性研究已发生了许多重大的变化。如已从电子设备的可靠性研究到开始重视非电产品的可靠性的研究；已从硬件可靠性研究逐渐转到重视软件可靠性的研究、人的可靠性的研究；已从宏观的统计估算逐渐转到微观分析计算，更准确的确定产品的故障失效模式及可靠性；已从手工定性的可靠性概率纸分析到计算机辅助的定量的可靠性分析；已从重视可靠性统计试验到强调可靠性工程试验，通过环境应力和可靠性增长试验来暴露产品的故障；已从单个可靠性参数和指标体系到多个可靠性参数和指标体系；己从以固有价值作为系统的可靠性指标到强调以使用价值作为系统可靠性指标；已从研究单个零部件或者小系统的可靠性转为研究大型复杂系统的可靠性等等。从上述的转变我们可以看到常规可靠性研究己日趋成熟【j j 。综上所述，可靠性是产品的基本属性，是衡量产品质量的重要指标，是世界产品市场竞争的焦点。它在提高产品质量，延长使用寿命以及制定管理策略等方面所取得的显著成就，已使其成为工程设计、企业管理、经营决策、产品或系统的运行和维修等活动中不可缺少的工具，成为提高管理水平和经济效益的重要手段。作为一个与国民经济和国防科技息息相关的学科，在未来的科技和经济发展中必将得到更加广泛和深入的研究，逐渐地在理论研究和实际应用中走向成熟。1 1 2 常规可靠性理论的局限性可靠性定义为：产品在规定的条件下，在规定的时间内，完成预定的功能的能力。它有五个要素，即对象、使用条件、使用时间、功能和能力。传统的可靠性理论是建立在经典概率论基础上的，所考虑的不确定性只是随机的，即将产品的失效( 未完成预期功能) 认为是一个随机事件，这在一定程度上和某些范围内是正确的。但对于一些大型的复杂系统，可靠性分析与评估技术目前尚不成熟，还缺乏一套比较完善和实用的分析和评估方法。主要存在如下问题：首先，常规可靠性设计理论是建立在普通集合论和二值逻辑基础之上的，因此其可靠性的主要指标，如失效概率、可靠度、故障率、平均寿命及系统的故障分析均以此为基础。“预定的功能是指产品在经济合理的前提下，在安全性、适用性和耐久性方面的要求。“预定的功能 是人们头脑中的具有一定模糊性的概念，仅用“是 与“不是”二值逻辑来表示产品是否完成了规定的功能，并不能反映模糊性。人们更习惯于用产品完成预定功能的程度大小这样的模糊思维，因此有人建议采用这样的模糊可靠性定义：产品在规定的条件下，在规定的时间内，在某种程度上完成预定的功能的能力。常规可靠性设计理论对系统的状态做二值状态假设，即系统要么完全处于正常状态，要么处于完全失效状态。这种假3系统模糊可靠性矽f 究设的故障判据是严格的，但有时不能区别不同指标之间的差异，某些相邻指标值之间在性能上无本质区别，却被归属于完全不同的状态，这显然不符合人们的思维特点和对客观事物的认识。其次，常规可靠性设计理论面临事物的复杂化与“精确”描述事物性质和状态的矛盾。现代科学技术的发展要求数学化、定量化描述事物，但随着人们对事物认识的不断完善和数学处理手段的增强，人们却对事物的精确描述越来越感到力不从心，更多的情况下对事物的精确描述根本不可能。如考虑零部件的磨损失效，过程磨损量究竟为多少零部件才算失效，很难有一明确地描述，不同的设计人员，不同的使用条件下，对零部件的要求不同，都可能有不同的描述方法。事实上，随着产品的复杂程度的提高，人们对事物精确认识的能力反而会下降。其根源在于客观事物的差异存在中间过渡的现象，即从一方转变到另一方存在着连续的中间过程，也即存在着模糊性。所研究系统的复杂化与用精确性数学描述系统难度之间的矛盾，使常规可靠性设计理论陷入困境，因为常规可靠性的传统观念和方法无法研究这类需用模糊方法描述的系统的可靠性。最后，常规可靠性设计理论缺乏必要的数据。机械可靠性设计分析中，随机变量的分布概型是应用数理统计的方法经概率分布的拟合优度检验后推断确定的，随机变量的统计参数是通过统计估计获得的，采用的随机变量的分布概型及统计参数的准确与否与样本的容量、统计推断的方法及参数估计的方法相关。其中，样本的容量尤其重要，当样本的容量较小时，在一定的信度下，两个不同的分布概型可能会被同时接纳，随机变量的统计参数可能会与真实值相差很悬殊。由于机械可靠性设计缺乏可靠性设计数据，给确定随机变量的分布概型带来了极大的困难。即使有了某些随机变量的分布概型及统计参数，工程实际中的问题由于受多种因素的影响，可能并不严格服从理想的模型，而是有几种分布合成的分布，或服从某种未知的分布，实际中的统计参数与给定的统计参数也并不相符，也就是说，对这些随机变量的分布概型及统计参数的实际使用仍需慎重考虑。在具体进行可靠性设计时，为使设计更加可靠、符合工程实际，仍需收集大量的可靠性数据，这要耗费大量的人力、物力和财力，多数情况下是难以做到的。因此，先前的经验是数据收集的一个重要来源，但经验是以一种不精确的方式出现的，而且在数据缺乏时可能要依赖于专家的经验获得数据，这都必然会带来模糊性。因此，常规可靠性设计理论认为，系统总是处于能满意地完成其预定功能的完好状态，或不能完成其预定功能的故障状态两者之一，只是系统处于何种状态是随机的。常规可靠性设计以布尔代数为基础，这在满足工程精度要求的范围内是许可的、可行的。但是，实际工程系统中，许多失效形式如疲劳断裂、磨损、腐蚀及蠕变等，都是由于损伤累积引起性能下降最终导致故障的现象，系统从完好状态到故障状态是由一系列中间状态相互联系、相互渗透、相互转化的，这种中间状态既不是完全“完好”，也不是完全“故障”，而是呈现“亦此亦彼 的模糊状态。况且，机械可靠性设计须以大量的统计数据为基础，而这些数据通常是缺乏的，常常需要设计人员依靠经验加以判断、选择，而人的经验是模糊性的东西，难以用随机方法所容纳并加以描述。1 1 3 模糊可靠性理论的提出面对常规可靠性设计理论所处的困境，需要有一种既能描述系统的复杂性和模糊性，又能将设计人员的经验定量表示出来，从而能正确描述系统可靠性真实状态，给出相应的可靠性设计与分析的数学工具，这种数学工具就是模糊数学。4硕十学何论文有了模糊数学这种工具，就可以避免常规可靠性设计中非得把复杂、模糊系统的可靠性问题简单归结为精确的数学问题。模糊数学是因实际的需要而产生的。现实生活中有大量的模糊现象，如何将这些模糊现象定量的表示出来，促进了模糊数学的产生。众所周知，普通集合表现的是有明确外延的概念，即一个对象是否属于某个概念，即“非此即彼”。但现实生活中客观事件却往往是“亦此亦彼”的中间过渡性质，这就导致了对其划分的不确定性，即模糊性。模糊集合是对普通集合的推广，它为描述和处理具有模糊性的现象和事物提供了一种数学手段。人们对随机性不确定性问题已进行了大量的研究，对工程设计中的模糊不确定性问题的研究则较少。工程中存在大量的模糊现象是一个不争的事实，也是一个不能回避的事实，如同随机现象的存在不可避免一样，因此问题不能仅仅单一的归结为随机问题来讨论。科学技术的进步，迫切需要人们定量表达模糊不确定性问题，随着模糊数学的兴起和发展，随着人们处理模糊现象能力的增强，模糊数学在许多领域中的应用，如模糊控制、人工智能、模糊专家系统、模糊机器人及模糊计算机、模糊模式识别及模糊故障诊断等，均已显示了其巨大的潜能。将模糊数学应用于机械可靠性设计中是人们对客观事物的认识提高后的必然结果，对它的研究将改变已变得日益明显的机械可靠性设计的局限性，并将逐渐为人们所理解和重视。模糊数学把数学的应用范围从精确现象，扩大到模糊现象的范畴。把模糊数学方法应用于可靠性理论进行模糊可靠性设计是人们认识水平提高下的必然产物，符合事物发展的客观规律。模糊随机可靠性设计是以模糊数学、常规可靠性设计理论( 概率论和数理统计) 为基础，同时考虑系统中的模糊现象和随机现象而采用的设计理论和方法。模糊随机可靠性设计一般可简称为模糊可靠性设计。模糊可靠性设计理论是常规可靠性设计理论的发展和延伸，而常规可靠性设计理论是模糊可靠性设计理论的基础和依据。毋庸置疑，多数情况下，常规可靠性设计都可视为模糊可靠性设计的特例，模糊可靠性设计都包含了常规可靠性设计，因此建立模糊可靠性设计理论不是否定了常规可靠性设计理论。模糊可靠性设计理论是在系统中有不容忽视的模糊现象时，对常规可靠性设计理论的一个有益的补充。因此，作为处理不确定信息手段之一的模糊理论和技术原理可以有效弥补概率方法在复杂系统的可靠性分析和评估方面的不足。在可靠性工程中合理地引入模糊理论和技术，不仅具有重要的理论意义，而且也是实际工程的迫切需要。1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学的控制论专家la z a d e h 教授创立了“模糊集合论”，用它来定量描述边界模糊和性状模糊的事物，从而开创了模糊数学分支【6 j 。模糊数学是处理“亦此亦彼 问题的数学，它弥补了确定性数学的“非此即彼 二值逻辑的缺陷。“模糊数学 自创立以来已被广泛应用于自动控制、人工智能、系统分析等诸多领域，并取得了巨大的成功。引入模糊数学方法不是为了把问题模糊化，而是把实际中的模糊事件用精确的数学表达式表示，使问题精确化。随着可靠性研究的不断深入，人们已经逐渐认识到了常规可靠性的种种不合理性，因此人们对可靠性中存在的不确定性的研究开始引入了模糊数学方法，在近2 0 多年的研究中，取得了显著的成果。系统模糊可靠性理论是模糊数学与系统可靠性相结合产生的产物，研究的是系统可靠性分析中的模糊现象。模糊可靠性理论认为系统可靠性分析过程中系统5系统模糊可靠性研究及元件状态的区分、系统及元件失效判据的建立、影响系统以及元件失效分析的主客观因素都具有一定模糊性。使用常规的二值状态可靠性理论常常没有考虑到这些特点。因此模糊可靠性理论从本质上发展了传统可靠性理论，突破了传统可靠性理论的固有局限性。1 1 4 模糊可靠性研究现状应用模糊数学处理可靠性问题始于1 9 7 5 年a k a u f m a n n 的工作i 刀。d i b l o c k l e v 采用模糊集理论将结构破损划分为不同程度的各个阶段，从而评价结构的可靠性。c b b r 0 、硼提出了结构模糊安全测度的概念，用模糊理论来表示结构可靠性。b m a y y u b 对于模糊数学在结构可靠性的应用进行了全面的评价。h t a n a k a 引入了模糊概率的概念。a kd h i n g r a 应用模糊数学对多目标约束的串联系统可靠度最优化进行了研究1 6 j 。r v i e r t l 提出了基于模糊寿命数据的可靠性评估方法。r k r e d d v 分别利用随机变量和模糊变量表示不确定性变量，提出了一种随机模糊可靠度的分析方法i 引。在模糊可靠性数据处理方面，r v i e n l 和w g u r k e r l 9 j 对模糊寿命数据提出了经典参数可靠性估计方法、经典的非参数可靠性估计方法以及b a y e s 可靠性估计方法，a 1 ( a n a g a w a 和h o h t a l l u j 提出了基于模糊寿命特性的定时寿命可靠性试验方法。i d r o b e n s 掣1 0 l 对于部件可靠性分布的不精确情况下的系统可靠度计算作了研究。近年来，国内外许多学者开展了基于模糊数学理论的可靠性模型研究，在理论上和方法上提出了许多新的内容。在基础理论研究方面，蔡开元等【l 卜r 7 j 作了卓有成效的工作。他将经典的系统可靠性理论中的二值状态和概率描述加以扩展，提出了p r o f u s t 可靠性理论、p o s b i s t 可靠性理论和p o s f u s t 可靠性理论。我国学者赵国藩院士提出了结构模糊随机可靠度分析的统一模型【1 8 1 。王光远院士从抗震结构所受载荷的模糊性和随机性出发建立了抗震结构的模糊可靠性分析方法【1 9 l 。黄洪钟教授在国内率先将可靠性理论应用于机械系统的分析，取得了一系列的学术成果【2 0 2 训。江光杰教授瞄j 对c 3 i 系统的可靠性、抗毁性和抗干扰性评估方面作了有益的探索，提出了模糊可靠性、模糊抗毁性和模糊抗干扰性的概念，并基于网络收缩的思想，提出了种新的复杂系统可靠性评估方法；同时，针对c 3 i 系统使用人员的特点，建立了人的任务可靠性评估模型。另外，李德毅教授等【2 6 j 基于“隶属云”的思想，对该系统可靠性、抗毁性和抗干扰性的统一评测进行了研究：陈胜军教授【z 7 j 通过分别定义单元的可靠度、平均寿命和失效率的模糊功能子集，建立了系统的模糊可靠性数学模型；董玉革教授等1 2 8 刀l 通过引入模糊集合理论，对系统可靠性的模糊预测、模糊分析与模糊评价进行了研究。目前，模糊可靠性分析中主要问题在于如何给可靠性模型建立一个具有明确物理定义的隶属函数。在模糊可靠性分配方面的研究，大部分局限于结构简单的系统可靠性分配问题，而且目标函数和约束条件的模糊化描述的合理性缺乏验证。在模糊可靠性优化算法方面，应力求简单、精确地计算复杂性问题，同时可以考虑采用基于遗传算法和神经网络的并行优化搜索技术实现模糊可靠性优化计算等等【6 1 。模糊可靠性理论无论在理论研究方面还是工程应用方面都还处于初始发展阶段，一般系统的模糊可靠性模型尚没有明确的物理定义，其隶属函数的确定以及模糊集理论中扩展运算的引用，大都是试探性的，还没有能够适合工程使用的技术和方法。针对大型复杂系统的模糊可靠性模型更为复杂，还没有通用合理的计算分析模型。必须深入了解大型复杂机械系统的应用背景、结构、性能以及它6硕十学何论文与各个子系统之间的关系，对其模糊可靠性进行建模以及使用性分析。尽管模糊可靠性的理论框架还有待于进一步建立和完善，但是它确实突破了常规可靠性理论的局限性，必将推动可靠性理论取得根本性的发展。1 2 课题来源本课题来源于甘肃省自然科学基金项目。1 3 课题意义课题研究内容属于可靠性理论、模糊数学、随机过程理论、机械工程与系统工程的交叉领域，使用可靠性理论和模糊可靠性理论来对大型复杂系统进行可靠性分析，为一些典型系统的可靠性分析建立计算模型，探讨其可靠性指标的分析计算方法，目的是为工程实践中的大型复杂系统的可靠性分析建立基本模型和寻找有效的分析计算方法。模糊性在实际工程中广泛存在，而且当样本较小时，模糊性在可靠性分析中起决定性作用。模糊可靠性理论分析方法产生的现实基础是现代工程系统越来越复杂，对系统及其零部件状态水平的描述要求更加详实，人们对于产品和系统的可靠性要求越来越高，常规的二值状态可靠性设计理论已经不能够满足实际要求。模糊可靠性模型致力于模拟这些情况下的系统，提供了更切合实际的系统表述。模糊数学方法从本质上改进了传统可靠性分析方法的局限与不足，是一种更符合事物发展本质的分析方法。模糊可靠性问题的关键是如何建立通用可靠性模型及寻找有效的算法用于系统性能的评价，研究结果渴望在工程系统的模拟和设计方面得到广泛应用。这种理论分析方法具有重要的理论意义，其应用前景广阔。1 4 本论文主要研究内容我们在前人研究系统模糊可靠性理论的基础上，在以下几个方面进行较为深入的研究：( 1 ) 系统模糊可靠性模型及应用研究。在经典的可靠性理论的基础上，引入相关的模糊集合理论，对系统可靠性基本模型，如串联、并联、表决等系统进行模糊可靠性建模，确定系统与单元之间的模糊可靠度、模糊失效率、模糊平均寿命等指标之间的关系及其数学表达式。根据所考虑的情况的不同，模糊可靠性可分为三种类型：a 模糊功能，精确概率( “模精 型)b 清晰功能，模糊概率( “清模”型)c 模糊功能，模糊概率( “模模”型)我们主要研究系统的“模精”型模糊可靠性。( 2 ) 系统模糊可靠性最优化分配模型及其算法研究。分析了机械模糊可靠性优化设计以可靠度为约束条件和目标函数时的研究方法。详细论述了在模糊可靠性优化过程中