威布爾分布無故障數(shù)據(jù)的可靠性評估

陸祖建，張仕念，張國彬，易當祥

（北京市清河大樓子八，北京 100085）

1 引言

兩參數(shù)威布爾分布的分布函數(shù)是：

其中m為形狀參數(shù)，η為尺度參數(shù)，t為工作時間。對于無故障數(shù)據(jù)的情況，文獻 [1-2]已給出當形狀參數(shù)m已知和未知時的兩種評估方法。在實際工作中，采用哪一種方法更加符合實際是一個令人十分關(guān)心的問題。當然在對形狀參數(shù)m能作出正確的假設時采用前一種方法是最好的。但實際上，當我們對產(chǎn)品的試驗數(shù)據(jù)掌握得比較少，甚至還沒有一個失效數(shù)據(jù)時，要對形狀參數(shù)m作出正確的假設是十分困難的。這時就需要對采用哪種評估方法的決定作出選擇。

本文通過一個例子，用兩種方法分別給出其評估結(jié)果，進行對比分析，以引起注意。

2 兩種評估方法

設n個產(chǎn)品試驗了t1，t2，…，tn沒有出現(xiàn)故障。

2.1 形狀參數(shù)m已知時的可靠性評估

尺度參數(shù)η的點估計為：

尺度參數(shù)η的1-α單側(cè)置信下限為：

a）基本可靠度的點估計

對于任意給定的工作時間t0，其基本可靠度Rm(t0)為：

基本可靠度的1-α單側(cè)置信下限估計為：

b）任務可靠度的點估計[4]

如果產(chǎn)品的任務時間為tz，而該產(chǎn)品已累計工作時間為ts，則該產(chǎn)品完成該次任務的可靠度為：

2.2 形狀參數(shù)m未知時的可靠性評估

設n個產(chǎn)品試驗了t1，t2，…，tn沒有出現(xiàn)故障，形狀參數(shù)m未知。但通過相似產(chǎn)品的信息和工程分析可以給出形狀參數(shù)的一個界限，如設0＜m1≤m≤m2， 其中 m1， m2為已知數(shù)。

對于任意給定的工作時間t0，其形狀參數(shù)由下述方程解出：

當形狀參數(shù)m確定后，其尺度參數(shù)的點估計、1-α單側(cè)置信下限估計，基本可靠度的點估計R(t0)、1-α單側(cè)置信下限估計RL(t0)和任務可靠度的點估計Rz (t0)、1-α單側(cè)置信下限估計RLz(t0)形式上與式 (1)、 (2)、 (3)、 (4)、 (5)和 (6)相同，所不同的是此時式中的形狀參數(shù)m不是已知的，也就不是固定的。對于一組固定的t1，t2，…，tn來說，m完全由工作時間t0及所假定的形狀參數(shù)的一個界限0＜m1≤m≤m2所確定。

3 對比分析

下面以一個例子，用上述兩種方法分別給出其評估結(jié)果。

例：某產(chǎn)品服從威布爾分布，已獲得n=20個試驗數(shù)據(jù)分別為： 2， 2， 2， 3， 3， 3， 5， 7， 9，11， 15， 20， 24， 28， 30， 32， 33， 34， 35， 38，無失效，分別用兩種方法給出工作時間t0為4、2×4、3×4、4×4、5×4、6×4、 7×4、 8×4、 9×4、 10×4的基本可靠度點估計，基本可靠度的1-α單側(cè)置信下限估計，以及每次任務時間tz=4的第1、2、3、4、5、6、7、8、9和10次任務可靠度的點估計，任務可靠度的1-α單側(cè)置信下限。其中，對形狀參數(shù)m已知的評估方法，取m=3；形狀參數(shù)m未知的評估方法， 則取 m1=1， m2=10； 置信度 1-α=0.9。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得以下結(jié)果，如表1、2、3、4和5所示。

表1 由取m1=1，m2=10確定的m

表2 基本可靠度的點估計

表3 基本可靠度的1-α單側(cè)置信下限估計

表4 任務可靠度的點估計

表5 任務可靠度的1-α單側(cè)置信下限

表2給出了當形狀參數(shù)已知時（m=3）的基本可靠度點估計Rm和形狀參數(shù)未知時的基本可靠度點估計 R；當工作時間分別為 4、2×4、3×4、 4×4、5×4、 6×4、 7×4、 8×4、 9×4、 10×4時的估計值，可以看到的Rm值普遍高于R的值；只有當t0=8×4時，由于式（7）解得的m=3.1364，與形狀參數(shù)已知的m=3接近，因此其值也接近。

表3給出了當形狀參數(shù)已知時（m=3）基本可靠度的1-α單側(cè)置信下限估計RLm和形狀參數(shù)未知的基本可靠度的1-α單側(cè)置信下限估計RL，當工作時間t0取不同值時的估計值。與表2相似，RLm的值普遍高于RL的值，只有當t0=8×4時比較接近。

表4給出了每次任務時間為4，完成第1、2、3、4、5、6、7、8、9和10次任務時，形狀參數(shù)已知時（m=3）的任務可靠度的點估計Rzm和形狀參數(shù)未知時的任務可靠度的點估計Rz?？梢钥吹?，當完成第5、6、7、8任務時Rz的值高于Rzm的值，但其值不超過0.01，其它均為Rzm高于Rz。

表5給出了每次任務時間為4，完成第 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9和 10次任務時，形狀參數(shù)已知時（m=3）的任務可靠度的1-α單側(cè)置信下限RLzm和形狀參數(shù)未知時的任務可靠度的1-α單側(cè)置信下限RLz。當完成第7、8任務時RLz的值高于RLzm的值，但其值不超過0.01， 其它均為 RLzm高于 RLz。

需要指出的是，文獻 [2]給出了當形狀參數(shù)毫無所知時，求基本可靠度的1-α單側(cè)置信下限估計的方法：

由式（8）可給出基本可靠度的1-α單側(cè)置信下限估計，見表6。

表6 形狀參數(shù)毫無所知時的基本可靠度的1-α單側(cè)置信下限估計

表6中，當t0為4、2×4時，由于其小于t*=10.3929， t0為 10×4時大于 t(n)=38， 根據(jù)式（8）直接解得RL*的值，此時m不定。

再對比表 6和表 1， 表 6中 t0為 3×4、 4×4、5×4時， m 分別為 0.1227、 0.4017、 0.6869； 而表1中則根據(jù)式（7）中的相應規(guī)則，確定為1。t0為9×4時表6中的 m為14.0543，而表1中根據(jù)規(guī)則確定為10。對比表6與表3中的RL可以看到， 除 t0為 6×4、 7×4、 8×4時其值相等外（m 相等）， 其余均為RL*＜RL。

4 結(jié)束語

通過以上分析可以看到，當對形狀參數(shù)毫無所知時，所得到的基本可靠度置信下限是最為保守的；隨著對形狀參數(shù)認識的增加，基本可靠度的置信下限就會增大。因此，堅持統(tǒng)計評估與工程評估相結(jié)合的原則，通過相似產(chǎn)品的信息和工程經(jīng)驗對形狀參數(shù)作出一個較為精確的估計是十分必要的。

[1]趙宇，楊軍，馬小兵.可靠性數(shù)據(jù)分析教程 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[2]陳家鼎.生存分析與可靠性 [M].北京：北京大學出版社， 2005.

[3]劉宏林，劉華，張可麗，等.失效個數(shù)極小情況下某繼電產(chǎn)品的可靠性評定 [J].武漢化工學院學報，2001， 23（1）： 70-71.

[4]陸祖建，張仕念，劉雪峰，等.關(guān)于威布爾分布的若干問題 [J].質(zhì)量與可靠性，2007，（6）：7-12.