一种基于任务成功率的备件保障概率确定方法及装置

1.本发明属于船舶维修与预测领域，尤其涉及一种基于任务成功率的备件保障概率确定方法及装置。


背景技术：

2.可用度问题的研究长期以来一直是可靠性数学、可靠性工程、装备综合保障领域的基础。可修系统按照构成系统各部件的寿命和故障后的修理时间分布类型，大致可分为马尔可夫过程和非马尔可夫过程。对前者，主要运用马尔可夫过程理论来研究；对后者通常用更新过程、马尔可夫更新过程和补充变量方法等工具进行研究。基于“完全修理”的假设，对于单部件可修系统、串联系统、并联系统、表决系统、冷储备系统等许多可修系统的可靠性分析都已有了成熟的研究结果。
3.在一些技术中，对进行k－1次修理(第k次失效后替换)的单部件系统的可用度进行了研究给出了系统的可用度计算公式。另一些，在k 1次寿命分布和修理时间分布均已知(第k 1次失效后进行完全修理或替换)的前提下，利用围道积分相关理论给出不同于以往用马尔可夫过程或更新过程来求解瞬时可用度的一种新方法。对瞬时可用度展开了研究，给出了某些维修策略下设备的瞬态可用度。
4.但是在给定任务成功率的前提下，确定各单元(即设备)的整机备份要求，但从船只维修保障的角度来，船只维修主要是利用备件对故障设备进行换件维修，因此还需明确具体的备件要求。目前还未有相关的针对该问题的技术方案。


技术实现要素：

5.为解决在给定船只(船舶)任务成功率前提下确定各个单元的整机备份要求的问题，在本发明的第一方面提供了一种基于任务成功率的备件保障概率确定方法，包括如下步骤：根据任务成功性模型确定可修单元的整机备份数量；根据所述整机备份数量计算在整机备份条件下的设备可用度；根据设备组成和设备可用度确定各个部件的可用度分配值；计算各个部件保障概率以确定各个部件的备件数。
6.在本发明的一些实施例中，所述根据所述整机备份数量计算在整机备份条件下的设备可用度包括如下步骤：确定维修资源约束；根据所述维修资源约束和所述整机备份数量确定设备的可用度。
7.进一步的，所述设备的可用度的计算方法为：
8.a
ini
(t)＝a
i∞
(t)*p
ini
(t)；
9.其中,a
ini
表示整机备份数量为ni时，设备i在t时刻的瞬时可用度,a
i∞
(t)表示设备i的在t时刻的固有可用度，p
ini
(t)表示备份数量为ni时，设备i在t时刻的保障概率*表示卷积。
10.在本发明的一些实施例中，所述根据设备组成和设备可用度确定各个部件的可用度分配值包括如下步骤：
11.根据所述各个设备的的连接关系、任务时间确定各部件子系统的可用度分配值：记任务时间为t0，当设备由m个部件子系统串联而成时，每一个部件子系统的可用度分配值为a
j*
＝[as(t0)]
1/m
，其中as(.)表示设备可用度，m为设备的部件种类数；当设备由m个部件子系统并联而成时，各部件子系统的的可用度分配值为a
j*
＝1-[1-as(t0)]
1/m
。
[0012]
进一步的，所述计算各个部件保障概率以确定各个部件的备件数包括如下步骤：根据部件寿命分布确定各部件子系统的可靠度函数；根据所述各部件子系统的可靠度函数、部件总数计算各个部件的保障概率分配值。
[0013]
更进一步的，所述根据所述各个部件的可靠度、部件总数计算各个部件的保障概率包括如下步骤：若部件总数为1，则部件的保障概率的计算方法为：其中，p
n*
为该部件的保障概率分配值，r(t0)为任务时间t0时的部件可靠度；
[0014]
若部件总数大于1，则各个部件的保障概率的计算方法为：其中，p
n*
为各个部件的保障概率分配值，rs(t0)为任务时间t0时部件子系统的可靠度函数。
[0015]
本发明第二方面还公开了一种基于任务成功率的备件保障概率确定装置，包括第一确定模块、第一计算模块、第二确定模块和第二计算模块，所述第一确定模块，用于根据任务成功性模型确定可修单元的整机备份数量；所述第一计算模块，用于根据所述整机备份数量计算在整机备份条件下的设备可用度；所述第二确定模块，用于根据设备组成和设备可用度确定各个部件的可用度分配值；所述第二计算模块，用于计算各个部件保障概率以确定各个部件的备件数。
[0016]
进一步的，所述第二计算模块包括部件可靠度确定模块和保障概率计算模块，所述可靠度确定模块，用于根据部件寿命分布确定各个部件的可靠度；所述保障概率计算模块，用于根据所述各部件子系统的可靠度函数、部件总数计算各个部件的保障概率分配值。
[0017]
本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明第一方面提供的基于任务成功率的备件保障概率确定方法。
[0018]
本发明的第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面提供的基于任务成功率的备件保障概率确定方法。
[0019]
本发明的有益效果是：
[0020]
本发明首先通过建立基于整机被分的设备可用度模型，从而明确系统任务成功率与设备可用度的关系；然后将设备可用度逐层分配，最终确定设备所属部件备件保障指标要求。
附图说明
[0021]
图1为本发明的一些实施例中的基于任务成功率的备件保障概率确定方法的基本流程图；
[0022]
图2为本发明的一些实施例中的基于任务成功率的备件保障概率确定装置的结构示意图；
[0023]
图3为本发明的一些实施例中的电子设备结构示意图。
具体实施方式
[0024]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0025]
参考图1，本发明的第一方面提供了一种基于任务成功率的备件保障概率确定方法，包括如下步骤：s101.根据任务成功性模型确定可修单元的整机备份数量；s102.根据所述整机备份数量计算在整机备份条件下的设备可用度；s103.根据设备组成和设备可用度确定各个部件的可用度分配值；s104.计算各个部件保障概率以确定各个部件的备件数。
[0026]
可以理解，任务成功概率是任务成功性的一种概率量度，是指在规定的任务剖面内，任务成功率是指在规定的任务剖面(任务组成或划分)中完成任务成功性的概率，是任务成功完成总次数与任务执行总次数的比值，通常用百分数来表示。应用仿真方法可以简化任务完成概率的计算，即任务成功率p＝任务成功完成的总次数/仿真的总次数产品能完成规定任务的概率。
[0027]
在本发明的一些实施例的步骤s102中，所述根据所述整机备份数量计算在整机备份条件下的设备可用度包括如下步骤：确定维修资源约束；根据所述维修资源约束和所述整机备份数量确定设备的可用度。
[0028]
具体地，当没有维修资源约束时，设备i的瞬时可用度为：
[0029]
当设备整机备份数量为ni时，设备的瞬时可用度为：其中，rs(t)是设备的可靠度。比较式上述两个公式可以得到：
[0030]
其中，p
ini
＝1-fi(t)*h
ini
(t)是备份数量为ni时对应的保障概率。
[0031]
由此可见，设备的瞬时可用度低于其固有可用性，也低于其备件保障概率，即该式表明设备瞬时可用度不仅受其固有的可靠性、维修性影响，而且还受其配置的备件保障能力的影响。特别地，当a
i∞
(t)较大时，设备的瞬时可用度可近似为：
[0032][0033]
公式1即可计算在整机备份条件下的设备可用度，简便起见，当a
i∞
(t)较大时，也可以利用式公式4计算设备可用度，从而将整机备份数转化为设备可用度要求。
[0034]
进一步的，所述设备的可用度的计算方法为：
[0035][0036]
其中,表示整机备份数量为ni时，设备i在t时刻的瞬时可用度,a
i∞
(t)表示设
备i的在t时刻的固有可用度，表示备份数量为ni时，设备i在t时刻的保障概率*表示卷积。
[0037]
可以理解，由于单元备用状态实际上是单元处于完好的贮存状态，因此，为方便起见，假定任务单元只有工作状态和故障状态两类。设任务单元ai在工作与故障两类状态之间交替转换，其在第k个使用周期处于工作状态的寿命为处于故障状态的维修时间为假定是独立同分布的，其分布函数为fi(t)；也是独立同分布的，其分布函数为gi(t)，则任务单元ai在时刻t＝0可用，在经过k个工作周期后，t时刻单元处于可用状态表示为：
[0038][0039]
当没有维修资源约束时，单元ai的瞬时可用度为：
[0040][0041]
其中，是的分布函数，它实际上是的k重卷积。若任务单元ai的工作寿命和维修时间参数为λi和ui的指数分布，即：
[0042][0043]
则单元ai的瞬时可用度为：
[0044][0045]
特殊地，当t较大时，a
i∞
(t)趋近于常数a
ii
，即单元的稳态可用度为：
[0046]
如果平均失效间隔时间(mtbf，meantimebetweenfailture)或平均失效前时间(mttf，meantimetofail)远大于平均修复时间(mttr，meantimetorepair)或者平均恢复时间(mttr，meantimetoreplace)，那么可用性将很高。
[0047]
其中，
[0048]
在本发明的一些实施例中实施例的步骤s103中，所述根据设备组成和设备可用度确定各个部件的可用度分配值包括如下步骤：根据所述各个设备的的连接关系、任务时间确定各部件子系统的可用度分配值：记任务时间为t0，当设备由m个部件子系统串联而成时，每一个部件子系统的可用度分配值为a
j*
＝[as(t0)]
1/m
，其中as(.)表示设备可用度，m为设备的部件种类数或部件子系统总数；当设备由m个部件子系统并联而成时，各部件子系统的的可用度分配值为a
j*
＝1-[1-as(t0)]
1/m
。
[0049]
具体地，假设某设备由m种部件组成，在未配置备件的情况下，该设备的瞬时可用
度际上就是其任务可靠度，即rs(t)＝f(r1(t),
…
，rm(t))(公式5)；
[0050]
其中，rs(t)表示设备的任务可靠度，rj(t)表示第j种部件的可靠度(j＝1,2,
…
，m)，f(.)为设备的可靠性结构函数。
[0051]
当各部件均配备有备件时，记部件瞬时可用度为a1(t),
…
，am(t)，则设备可用度as(t)为：as(t)＝f(a1(t),
…
，am(t))
ꢀꢀꢀꢀ
(公式6)；
[0052]
例如，当设备由m种部件串联组成时，其瞬时可用度为：
[0053][0054]
因此在各部件重要度相同的条件下，当任务时间为t0时，部件的瞬时可用度分配值为：
[0055]aj*
＝[as(t0)]
1/m
，
ꢀꢀꢀ
(公式8)；
[0056]
当设备由m种部件并联组成时，其瞬时可用度为：
[0057][0058]
因此当任务时间为t0时，部件使用度分配值为：
[0059]aj*
＝1-[1-as(t0)]
1/m
，
ꢀꢀꢀ
(公式10)。
[0060]
进一步的，在本发明的一些实施例的步骤s104中，所述计算各个部件保障概率以确定各个部件的备件数包括如下步骤：根据部件寿命分布确定各部件子系统的可靠度函数；根据所述各部件子系统的可靠度函数、部件总数计算各个部件的保障概率分配值。
[0061]
更进一步的，所述根据所述各个部件的可靠度、部件总数计算各个部件的保障概率包括如下步骤：
[0062]
若部件总数为1，则部件的保障概率的计算方法为：其中，p
n*
为该部件的保障概率分配值，r(t0)为任务时间t0时的部件可靠度；
[0063]
若部件总数大于1，则各个部件的保障概率的计算方法为：其中，p
n*
为各个部件的保障概率分配值，rs(t0)为任务时间t0时部件子系统的可靠度函数。
[0064]
具体地，由式(公式4)可知，对于装机数为1的单部件而言，在考虑备件的情况其工作到t时刻的可用度在数量上由两部分组成：第一部分为部件在t时刻的可靠性，即不携带备件工作到t时刻的概率；第二部分则表示携带备件且考虑换件维修情况下，由所携带备件带来的可用度。因此，单部件可用度可表示为：
[0065]as
(t,n)≈r(t) (1-r(t))pn(t)
ꢀꢀꢀ
(公式11)；
[0066]
其中，pn(t)为该部件配置有限备件时的保障概率，r(t)为部件可靠度，当部件服从参数为λ的指数分布时r(t)＝e-λt
。因此，当任务时间为t0时，对于装机数为1的第j种部件，若其可用度分配值为a
j*
，则其保障概率要求为
[0067]
可以理解，当部件为通用件时，假设第j种部件装机数为m，这m个部件通过表决关系k/m(g)构成一个通用件系统，该通用件系统配备n个备件。则该通用件系统可靠度rs(t)
为：
[0068]
其中，r(t)为部件可靠度，当部件寿命服从参数为λ的指数分布时，r(t)＝e-λt
。
[0069]
该通用件系统的瞬时可用度为as(t,n)≈rs(t) (1-rs(t))pn(t)，公式14)；
[0070]
因此，当任务时间为t0时，对于装机数为m的第j种部件，若其可用度分值为a
j*
，则其保障概率要求为：
[0071]
其中rs(t0)为该通用件系统的可靠度函数，当部件寿命服从参数λ为的指数分布时，有
[0072]
参考图2，本发明第二方面还公开了一种基于任务成功率的备件保障概率确定装置1，包括第一确定模块11、第一计算模块12和第二确定模块13、第二计算模块14，所述第一确定模块11，用于根据任务成功性模型确定可修单元的整机备份数量；所述第一计算模块12，用于根据所述整机备份数量计算在整机备份条件下的设备可用度；所述第二确定模块13，用于根据设备组成和设备可用度确定各个部件的可用度分配值；所述第二计算模块14，用于计算各个部件保障概率以确定各个部件的备件数。
[0073]
进一步的，所述第二计算模块14包括部件可靠度确定模块、保障概率计算模块和备件确定模块，所述可靠度确定模块，用于根据部件寿命分布确定各个部件的可靠度；所述保障概率计算模块，用于根据所述各个部件的可靠度、部件总数计算各个部件的保障概率；所述备件确定模块，用于根据所述各个部件的保障概率确定各个部件的备件数。
[0074]
本发明的第三方面，提供了一种电子设备500，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明第一方面提供的基于任务成功率的备件保障概率确定方法。
[0075]
参考图3，电子设备500可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)501，其可以根据存储在只读存储器(rom)502中的程序或者从存储装置508加载到随机访问存储器(ram)503中的程序而执行各种适当的动作和处理。在ram503中，还存储有电子设备500操作所需的各种程序和数据。处理装置501、rom502以及ram503通过总线504彼此相连。输入/输出(i/o)接口505也连接至总线504。
[0076]
通常以下装置可以连接至i/o接口505：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风、加速度计、陀螺仪等的输入装置506；包括例如液晶显示器(lcd)、扬声器、振动器等的输出装置507；包括例如硬盘等的存储装置508；以及通信装置509。通信装置509可以允许电子设备500与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图3示出了具有各种装置的电子设备500，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。图3中示出的每个方框可以代表一个装置，也可以根据需要代表多个装置。
[0077]
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机
软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置509从网络上被下载和安装，或者从存储装置508被安装，或者从rom502被安装。在该计算机程序被处理装置501执行时，执行本公开的实施例的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本公开的实施例所描述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd－rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开的实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、rf(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。
[0078]
上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个计算机程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：
[0079]
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的实施例的操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c 、python，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)——连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0080]
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0081]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。