复杂工程系统的连续状态可靠性建模和健康预测方法研究

For most modern complex engineered systems, there usually exist multiple heterogeneous performance metrics crossing various functional disciplines such as mechanical, electrical, control, and software systems, designing reliability into a system and accurately assessing reliability performance can be very challenging. Inappropriate reliability goal setting and system reliability assessment may lead to product development cost overruns and schedule delays and low reliability. The proposed research will study, (1) methods and tools analyzing and assessing the physics and logic of system functions and interactions within a complex engineered system, (2) continuous-state reliability modeling for complex engineered systems with multiple heterogeneous performance metrics, (3) methodologies for design risk mitigation and health prognostics of complex engineered systems through physics and logic-based interactions modeling and uncertainties quantification.. By establishing new continuous state reliability modeling and health prognostics methodologies, the proposed research will have the primary benefit of reducing product life cycle cost from reliability centered design and development, manufacturing, maintenance, to failure prognostics and prevention, and improving product performance with regards to reliability and safety.

大多数现代复杂工程系统，通常存在跨越机械、电气、控制和软件系统等多个功能领域的多种异质性能指标。如何推进基于可靠性设计的系统开发方法以及在产品开发过程中如何准确地评估系统可靠性是实现高效率、高可靠性产品开发的难点和挑战。不合理的可靠性目标和系统可靠性评定都将导致产品开发时费用超支、进度延误、可靠性低等问题。本课题提出基于物理和逻辑的交互建模和不确定性量化理论，研究（1）能刻画和建模复杂工程系统运行中的交互物理和逻辑表现行为的方法和工具；（2）具有多种异质性能指标的复杂工程系统连续状态可靠性建模方法；（3）复杂工程系统风险削减和健康预测方法。.. 通过建立新型连续状态可靠性模型和健康预测方法，本研究将大大降低整个产品生命周期中以可靠性为中心的产品设计、开发、生产、维修以及故障预测和预防等各个环节资金和成本的消耗，并提高产品的可靠性、强健性和安全性。

复杂工程系统可靠性建模是保证系统高可靠性运行的重要环节，可靠性建模理论与方法的研究不仅影响到复杂工程系统质量性能的优劣和经济效用，甚至影响着使用者的工作可靠性与操作安全性。电力信息物理融合系统作为一种典型的复杂工程系统，其可靠性建模及健康预测研究更是至关重要。因此，开展电力信息物理融合系统相关的可靠性建模、健康预测研究势在必行。本项目致力于从部件级、系统级的角度研究电力信息物理融合系统的可靠性建模，健康预测研究。力求完善复杂工程系统的可靠性建模及健康预测理论与方法。主要研究内容包括：1）对于电力信息物理融合系统中的装置，提出产品全寿命周期可靠性增长规划模型； 3）研究电力信息物理融合系统中，考虑软件可靠性影响的系统状态融合估计方法；3）在以上研究的基础上，针对系统层面，研究电力信息物理融合系统的可靠性优化。.本项目的重要研究成果包括：1）对于电力信息物理融合系统中的装置的可靠性建模，探究了贝叶斯推断方法用于可靠性增长模型参数估计的适用性和计算方法，并通过拟合分析的方式选定了可靠性参数的近似共轭先验分布，完善了其更新机制，提出了一种产品全寿命周期可靠性增长规划模型； 2）由于在电力信息物理融合系统中，网络发送数据，有限的网络承载能力和通信带宽会导致许多网络化不确定性现象，如数据丢失、网络时滞、通信干扰等发生，降低估计精度，会使得传统估计理论中的许多假设条件难以应用到多速率传感器系统中。因此，提出了一种复杂工程系统中多速率传感器系统的状态融合估计算法；3）对电力信息物理融合系统的韧性优化进行了研究，研究了多态失效下电力信息物理融合系统级联失效的动态建模方法。.通过项目研究，复杂工程系统的可靠性建模及健康预测方法得到深入研究，提出了一套针对复杂工程系统全过程的可靠性建模及健康预测理论方法。