一种大型复杂可修装置的综合性能评价方法与流程

本发明涉及大型复杂可修装置综合处理技术领域，具体而言涉及一种大型复杂可修装置的综合性能评价方法。

背景技术：

大型装置是指装置的组成单元和分系统数量多，装置的复杂性是指由于组成单元和分系统数量较多，导致他们之间关系的复杂性，而实际工程中的大型复杂装置大部分是可修复的。大型复杂可修装置出于运行任务和运行效率的需求，对其综合性能如可靠性、维修性、保障性都有要求。同时，大型复杂可修装置又具有多阶段工作任务的特点，在其中一些任务阶段，可以利用维修性、保障性来补充可靠性的不足，在另外一些任务阶段，只能依靠装置本身的基本可靠性来保障任务的成功，因此，其可靠性和维修性指标交织在一起，必须要对任务开展剖析才能把可靠性、维修性指标分解开来。此外，在不同的任务阶段，构成装置内的各个分系统参与任务的程度是不一样的，这对系统可靠性、维修性指标也提出了不一样的要求，因此，还必须对任务参与范围开展仔细的剖析才能得到组成装置的各分系统/组成单元的分解要求。综上，各种影响因素造成难以全面综合评价大型复杂可修装置是否满足运行要求，进而直接影响大型复杂可修装置的更好应用及发展。

技术实现要素：

发明人在长期实践中发现：一般而言，大型复杂装置的总体可靠性、维修性指标都是可用度、任务成功率、平均维修时间、年运行次数这一类面向全装置的总体指标，这些指标无法直接用于约束装置，而必须在总体层面根据一定的约束条件，分解为可指导系统设计的指标，如平均故障间隔时间(mtbf)、系统平均修复时间和系统任务成功率之类的指标。

本发明提供了一种大型复杂可修装置的综合性能评价方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大型复杂可修装置的综合性能评价方法，包括以下步骤：

s1：建立综合性能评价指标库，所述指标库划分为多个分类指标；

s2：对所述装置的拓扑结构进行分解，并分解为多个子系统，每个子系统下分解多个分系统和组件；

s3：根据综合性能评价指标库对所述装置进行任务剖面分析，所述任务剖面依次为全寿命周期剖面、年度任务剖面以及单次任务剖面；

s4：构建指标体系，所述指标体系包括延误性故障平均间隔时间、失败性故障平均间隔次数和平均维修时间；

s5：建立数学表达式；

s6：任务范围分析，按照对指标体系的不同影响程度对分系统或组件进行区分；

s7：分解指标体系并确定加权因子；

s8：综合计算，得到所述装置的综合性能评价结果。

进一步，所述分类指标为年度执行任务次数、任务成功率、任务间隔时间、平均修复时间、装置服役寿命、装置可用度。

进一步，所述子系统、分系统和组件按照功能为主、专业为辅的原则进行分解，首先对装置的基本任务进行剖析，并根据基本任务的要求，将装置的功能划分成不同的功能需求，并将装置划分成不同的模块，把执行相同功能需求的模块划分为一组得到子系统，若采用功能需求无法将装置完全分解，辅以采用专业和学科的方式分解，直到完全分解装置，采用同样的原则对子系统进行再分解，得到分系统和组件。

进一步，所述装置的年度任务包括周维护期dmain、集中运行期dexp、大维修期doth1、年度维护dprep、停机休息期doth2，则dmain+dexp+doth1+dprep+doth2＝365。

进一步，设定装置每年执行任务的总时间为dexp，装置可用度为a，每天开展的任务次数为y，年度执行任务次数为n，则：

dexp＝dexp1+dexp2+...+dexpi，其中，dexpi表示第i次任务的执行时间，n＝dexp×y×a。

进一步，所述任务由多阶段多子系统按照特定的时序关系共同完成，其包括主任务和副任务，所述主任务直接决定任务的成败，所述副任务为主任务提供条件或后处理，副任务不影响任务的成败，而影响到任务是否能够如期开展。

进一步，采用延误性故障平均间隔时间表征子系统的可靠性指标，在主任务执行过程中，若某子系统发生故障，直接导致执行任务的失败，采用任务成功概率或失败性故障平均间隔次数表征子系统的可靠性指标，若某子系统发生故障，则必须满足平均维修时间的要求，采用平均维修时间来表征子系统的维修及保障性。

进一步，设定延误性故障平均间隔时间为mtbdf，任务成功率为ro，失败性故障平均间隔次数为msbff，平均维修时间为mttr，则：

可用度

装置的延误性故障概率为λ延误，且

装置成功运行的次数为n成功，装置实际运行的次数为n实际，装置的失败性故障率λ失败，装置的总故障率为λ，则λ＝λ失败+λ延误，

其中，tri表示第i个故障的修复时间，n表示故障总数。

进一步，设定每个子系统的延误性故障平均间隔时间为mtbdfj，则λ延误j表示子系统的延误性故障概率，j表示子系统的数量，利用加权分配法，通过预计得到各子系统的延误性故障率λ延误j^*，确定各子系统的加权因子w延误j，且根据λ延误j＝w延误j×λ延误，得到子系统的延误性故障间隔时间，完成装置级延误性故障间隔时间分配；

设定子系统的任务成功率为roj，子系统的失败性故障概率为λ失败j，所述装置的任务成功率为ro，则ro＝ro1×ro2×...×roj，且roj＝exp(λ失败j×n)，利用加权分配法，通过预计得到各子系统的失败性故障率λ失败j^*，确定各分子系统的加权因子w失败j，且根据λ失败j＝w失败j×λ失败，得到各子系统的失败性故障率；

设定子系统的平均修复时间为mttrj，所装置的平均维修时间为mttr，则且λj＝λ失败j+λ延误j，其中，λj表示子系统的故障率，通过各子系统的平均修复时间迭代控制，即可得到各子系统的mttrj。

进一步，根据子系统内部不同分系统或组件的复杂程度、重要程度、工作时间长短、环境长短和技术成熟水平，采用评分分配法来完成延误性故障概率、失败性故障概率的分配。

本发明的有益效果是：

鉴于大型复杂可修装置的本征运行特点，建立属于多阶段任务的可靠性、维修性、保障性指标体系，有效地将可用度、任务成功率及平均维修时间总体指标转换成可检验、可评估的分解指标，用于指导装置工程研制，经济效益高。

附图说明：

图1是装置的拓扑结构分解图；

图2是子系统a1的拓扑结构分解图；

图3是装置的全寿命周期剖面图；

图4是装置的年度任务剖面分析图；

图5是装置的年度任务分析图；

图6是装置的单次任务的任务剖面图；

图7是装置的单次任务的详细剖析图；

图8是a1子系统中各分系统或组件对指标体系不同影响程度示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

实施例一：

一种大型复杂可修装置的综合性能评价方法，包括以下步骤：

第一、建立综合性能评价指标库，所述指标库划分为多个分类指标，对于大型复杂可修科学实验装置而言，发明人站在“用户装置”的角度，将所述分类指标分为年度执行任务次数、任务成功率、任务间隔时间、平均修复时间、装置服役寿命、装置可用度。

其中，年度执行任务次数是表征装置综合性能的一个指标，它依赖于组成装置的各子系统的基本可靠性和装置维护维修保障资源来共同实现。任务成功率指的是装置执行任务(达到实验的目的)实现的概率，既可以是单次任务成功的概率，也可以是成功的任务次数与任务执行总数的比值。任务间隔时间指的是两次执行任务间隔的时间，它受限制于装置的本征物理性能(如热恢复等)、基本可靠性及维修保障资源的响应程度。平均修复时间指的是装置在出现故障而导致无法正常完成任务的时候修复所需的平均时间，这个指标主要依靠维修保障资源来实现。装置服役寿命指的是对装置服役期的设计，该指标的实现主要依靠系统的基本可靠性和恰当的维护保障策略来共同实现。装置可用度指的是装置可用的程度，表征方式为无故障工作时间和总工作时间的比值，也需要依靠装置的基本可靠性和维修保障资源来共同实现。

从上述分类指标分析不难看出：在总体层面提出的每一个分类指标都不是可以正交只表征可靠性或者只表征维修性保障性的，而是综合包含了可靠性、维修性、保障性的指标，因此，无法直接分解到子系统用于指导子系统的研制，且分类指标依赖于装置的寿命剖面、任务剖面、拓扑结构等的综合分析后才能完全确定，因此，必须在总体层面就把分类指标转换成为可以分解的指标。

第二、对所述装置的拓扑结构进行分解，并分解为多个子系统，每个子系统下分解多个分系统和组件。其中，所述子系统、分系统和组件按照功能为主、专业为辅的原则进行分解，首先对装置的基本任务进行剖析，并根据基本任务的要求，将装置的功能划分成不同的功能需求，并将装置划分成不同的模块，把执行相同功能需求的模块划分为一组得到子系统，若采用功能需求无法将装置完全分解，辅以采用专业和学科的方式分解，直到完全分解装置。采用同样的原则对子系统进行再分解，得到分系统和组件。本实施例中，所述装置由十个子系统构成，分别由a1～a10来表征，则装置的拓扑结构如图1所示，然后，分别对a1、a2、……、a10进行拓扑结构分解，其中，a1的拓扑结构如图2所示，a2～a10的拓扑结构图未详细列出。

第三、根据综合性能评价指标库对所述装置进行任务剖面分析，所述任务剖面依次为全寿命周期剖面、年度任务剖面以及单次任务剖面。其中，装置的全寿命周期剖面如图3所示，装置服役期指的是从装置正式交付运行到装置退役之间的装置运行维护这一个阶段，主要依靠大型结构件的寿命和一些耗损型组件的维护、维修来实现的。因此，对于该指标的响应，主要应当提出的指标为大型结构件(其服役时段为装置的整个服役期)的寿命、耗损型组件的首翻期和翻新期。

基于大型复杂可修科学实验装置对于维护的特殊要求，装置的年度任务包括周维护期dmain、集中运行期dexp、大维修期doth1、年度维护dprep、停机休息期(准备、管理休假和保障工作)doth2，受限于年度总时间，dmain+dexp+doth1+dprep+doth2＝365，其任务剖面分析和任务分析分别如图4、图5所示。

由于任务间隙的维护是利用任务之间的等待时间开展的，因此不单独占用其余时间，其中任务准备时间的长短，依赖于装置集中维护期间的工作量，资源保障以及工作的串并关系程度等，另一方面，受限于任务间隔时间和年度执行任务次数，该时间段不能太长，否则无法达到年度任务执行次数的指标。设定装置每年执行任务的总时间为dexp，装置可用度为a，每天开展的任务次数为y，年度执行任务次数为n，则：dexp＝dexp1+dexp2+...+dexpi，其中，dexpi表示第i次任务的执行时间，n＝dexp×y×a。

对于大型复杂可修科学实验装置，其任务目的是执行一些具备特殊物理环境的试验，其任务特点是由多阶段多子系统按照特定的时序关系共同完成，其中的一个主任务为开展科学实验提供基本物理条件，该主任务执行的情况直接决定任务的成败；而其余的任务为该项主任务提供条件或者后处理的副任务，副任务不影响任务的成败，而影响到装置的任务是否能够如期开展。一般来讲，其单次任务过程可以分为实验条件准备、实验、数据采集及后处理这样三个阶段，其任务剖面分析如图6所示，由于主任务阶段的特殊性，在主任务阶段是不可维修的，而在作为辅助性的准备任务阶段和后处理阶段是可以通过适当的维修维护活动来保障的。

通过对装置单次任务的任务剖面分析不难发现，其任务剖面分成了几个不同的阶段，其阶段的不同性主要表现在于：1)参与每一个实验阶段的范围是不一样的：对于一些子系统而言，可能主要在准备任务阶段工作，在主任务或者后处理阶段的执行过程中则可能是静止不动的，而对于另外一些子系统而言，则可能是在主任务阶段工作，在准备阶段及后处理阶段是不动的，还有一些子系统则是专门在后处理阶段工作的，当然，对于大部分子系统而言可能存在其中的一个或者两个甚至三个阶段都有相应的动作，执行一定任务的情况。2)不同阶段内故障的影响不同：在准备任务执行过程中，如果某个参与子系统出现故障，可能导致的结果是准备任务无法正常实现而导致主任务的延迟开展，而在主任务阶段的故障导致的结果则可能是本次任务的失败，在后处理阶段的故障可能影响的不是本次任务的执行时间或者成败，而是下一次任务的执行时间。3)执行任务的时间长短：主任务重要性高，但其任务时间相对较短，而准备任务和后处理任务的工作时间则相对较长。4)维修性的不一致：如果在准备阶段或者后处理阶段发生故障，则可以通过一些维修活动使得子系统恢复正常，但如果在执行主任务的过程中发生了故障，虽然时间很短，但是由于任务的连续性，导致在主任务阶段无法通过维修来进一步提高任务成功的概率。

第四、构建指标体系，所述指标体系包括延误性故障平均间隔时间、失败性故障平均间隔次数和平均维修时间。

具体的，通过任务剖面的分析，要表征某一个子系统的可靠性及维修性应当主要从以下三个方面来描述：1)该子系统对于主任务能否按时执行的影响程度；2)该子系统对于主任务是否能够成功完成的影响程度；3)该子系统的故障是否能够快速修复。对以上需求进行分析，再对装置的单次任务详细剖析如图7所示，由于组成装置各子系统工作的并联性，在准备任务执行过程中，某一个子系统发生故障时，如果能在其执行其他任务的时候得到有效修复，便不会对主任务的按时执行造成影响，例如，当a1、a2子系统在执行状态准备任务，如果此时发现a4子系统发生故障，只要该故障能在a4子系统执行状态准备任务之前得到修复，便不会对主任务造成影响，另一方面，在装置执行任务期间，也会存在一些小型集中维护的阶段。因此，各子系统的可靠性指标无法直接用平均故障间隔时间mtbf来描述，为有效地表征装置的这一特征，采用了延误性故障平均间隔时间mtbdf来作为各子系统的可靠性指标；在主任务执行过程中，如果子系统发生故障，可能直接导致执行任务的失败，而采用mtbdf指标无法描述子系统的这一可靠性特征，因此采用了任务成功概率ro来表征，进一步则采用失败性故障平均间隔次数msbff表征；如果某子系统发生了故障，则必须满足平均维修时间的要求，因此，采用平均维修时间mttr来表征子系统的维修性及保障性。

第五、建立数学表达式，在总体层面，装置寿命主要依靠老化器件的更换性维修来实现，在理论上，后续只要有恰当的资源支撑则可以实现；任务执行间隔时间是一个由装置本身的物理特性决定的指标，无法继续分解；可用度a和年度执行任务次数n已经耦合；因此，主要需要开展转换和分解的指标有：可用度a、任务成功率ro及平均维修时间mttr。在平均修复时间的限制下，要求故障都要在规定时间内完成修复，则有可用度由此可以得到装置级别的mtbdf。同时，装置的延误性故障概率为λ延误，且此外，装置成功运行的次数为n成功，装置实际运行的次数为n实际，装置的失败性故障率λ失败，装置的总故障率为λ，则λ＝λ失败+λ延误，其中，tri表示第i个故障的修复时间，n表示故障总数。

第六、任务范围分析，按照对指标体系的不同影响程度对分系统或组件进行区分，通过以上分析发现，在装置的一些分系统或组件可能影响任务成功率，另一些分系统或组件可能影响可用度，有一些分系统或组件可能会同时影响两个指标，因此在分解指标的过程中，必须要对这些不同的分系统或组件区分开来，对于不影响某指标的分系统或组件，在分解过程中不应当给该分系统或组件分配与这个指标相关的参数，a1子系统中各分系统或组件对指标体系的不同影响程度如图8所示。

第七、分解指标体系并确定加权因子，具体如下：

(1)设定每个子系统的延误性故障平均间隔时间为mtbdfj，则λ延误j表示子系统的延误性故障概率，j表示子系统的数量，利用加权分配法，通过预计得到各子系统的延误性故障率λ延误j^*，确定各子系统的加权因子w延误j，且根据λ延误j＝w延误j×λ延误，得到子系统的延误性故障间隔时间，完成装置级延误性故障间隔时间分配。根据子系统内部不同分系统或组件的复杂程度、重要程度、工作时间长短、环境长短和技术成熟水平，采用评分分配法来完成延误性故障概率的分配。

(2)设定子系统的任务成功率为roj，子系统的失败性故障概率为λ失败j，所述装置的任务成功率为ro，则ro＝ro1×ro2×...×roj，且roj＝exp(λ失败j×n)，利用加权分配法，通过预计得到各子系统的失败性故障率λ失败j^*，确定各分子系统的加权因子w失败j，且根据λ失败j＝w失败j×λ失败，得到各子系统的失败性故障率。根据子系统内部不同分系统或组件的复杂程度、重要程度、工作时间长短、环境长短和技术成熟水平，采用评分分配法来完成失败性故障概率的分配。

(3)设定子系统的平均修复时间为mttrj，所装置的平均维修时间为mttr，则且λj＝λ失败j+λ延误j，其中，λj表示子系统的故障率，通过各子系统的平均修复时间迭代控制，即可得到各子系统的mttrj。

第八、综合计算，得到所述装置的综合性能评价结果。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。