语音信号处理方法的可靠性研究
文章编号：1002-8684（2010）04-0058-05
语音信号处理方法的可靠性研究*
梁晓辉1，周
权
1,2
（1.西北工业大学，陕西西安710072；2.赫尔辛基工业大学，芬兰埃斯波02015）
【摘
要】理论分析了信号处理的全过程，描述了各个步骤之间的数学关系，得到信号可靠处理需满足的条件。提
出了过采样方法，可提高信号的抗混叠性能；选用合适的窗函数，可减小信号谱间干扰与展宽；提出了补零法和重新采样法，可提高谱线频域分辨率。另外，通过语音信号处理试验，验证了所提出的方法可提高信号的抗混叠性能、抗谱间干扰与展宽性能，提高了频域分辨率。
【关键词】语音信号处理；可靠性；过采样；重采样；抗混叠【中图分类号】TN912
【文献标识码】B
Validity Research of Acoustic Signal Processing
LIANG Xiao-hui 1，ZHOU Quan 1，2
（1.Northwestern Polytechnical University ，Xi ′an 710072，China ；
2.Helsinki University of Technology ，Espoo 02015，Finland ）
【Abstract 】During modem signal sampling and processing ，validity sampling ，processing and analyzing signals are the
premises of correctly using signals.The whole processing of signal processing ，including pre-filter ，sampling ，AD transfer ，frequency-analysis and frequency domain processing ，DA transform etc ，are analyzed ，and the detail the mathematic relationships between all steps are described.
Further more ，
the requirements for validity processing are achieved.
Meanwhile ，the over-sample method is proposed ，which improves the anti-aliasing character.The cut signal processing by selecting proper window function is analyzed ，which can deduce spectrum interference and widen.The methods of adding zeros and re-sampling is presented ，which can increase the spectrum resolution.Additionally ，the acoustic signal process experiments verify that the released method can increase the anti-aliasing character ，improve the anti spectrum inference and widen ，and improve the spectrum domain resolution.
【Key words 】acoustic signal processing ；validity ；over-sample ；resample ；anti-aliasing
1
引言
数字信号处理是现代最常用的信号处理方法，在
通信、生物医学、图像处理、信号检测、语音识别等领域有着广泛应用。笔者系统介绍了信号处理过程中对每一步骤进行可靠处理的方法，通过数学方法分析了要进行信号可靠处理的条件，并提出了抗混叠滤波方法、降低截断效应方法及抗栅栏效应[1]提高信号频域分辨率的方法。
信号处理过程包括抗混叠滤波、采样、模数转换、数字信号处理、数模转换等步骤。工程中采用时域与频域相结合的方法对信号进行分析和处理。信号处理过程中信号的前置滤波设计、采样频率选择、编码长度选
择、频率采样频率选择、时域离散信号截断等直接关系到信号处理的结果能否满足工程需要。
语音信号是时间轴上的二维信号，对语音信号处理的方法与一般信号处理方法基本一致，不同之处是：语音信号是时变信号[2]，具有短时时不变性，需要对其使用窗函数截取信号帧后再进行处理，在频域对信号进行短时频谱傅里叶分析。
2信号处理过程可靠性的数学理论
研究
信号采样前，经过调理、放大、电平抬升、滤波、电平转换、光电隔离等步骤，把信号调理为传感器可采集的信号，送到采样装置前端。通过模数转换，转换为数
·论文·
*[基金项目]教育部回国人员启动基金（2009YK0500020050002）
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字信号，在数字域计算处理后，再经过数模转换，把数字信号转换为模拟信号。
2.1抗混叠滤波器理论分析
根据采样定理，当采样频率小于采样信号最高频
率2倍时，肯定会产生频谱混叠。实际工程中，根据信号频谱带宽的要求及设备的成本等选择采样器，需要对被采样信号进行前置低通滤波，也就是抗混叠滤波。
理论上通过设计截止频率为奈奎斯特频率[3]（即，采样频率一半的频率）的低通滤波器就可实现，但理想的低通滤波器无法实现，只能近似接近。
2.2采样理论分析
信号经过抗混叠滤波后，进行采样。设原始信号
为x a （t ），其傅里叶变换后的频谱为X a （j Ω）；无线脉冲信号
P δ（t ）=+∞
n=-∞
Σδ（t-nT ）
（1）
其傅里叶变换
P σ（j Ω）=2π
T
+∞
n=-∞
Σδ（Ω-n Ωs
）
（2）
采样后的信号x 赞a （t ）实际上是原始连续模拟信号和无限脉冲信号相乘，即
x 赞a （t ）=x a （t ）·P δ（t ）（3）
信号的时域相乘等效于频率的卷积，则采样信号
x
赞a （t ）的频谱X
赞a （j Ω）=12πX a （j Ω）P σ（j Ω）=1T
+∞
n=-∞
ΣX a
（Ω-n Ωs
）
（4）
即，采样信号的频谱实际上是以采样频率Ωs 的整数倍为中心频率，对原带限信号进行无限延拓得到。
对采样信号x
赞a （t ）经过一个截止频率为Ωs 的理想低通数字滤波器后，就得到了被采样信号的真实频谱。
因此，只要满足采样定理，就可从离散信号的频谱完全得到原模拟信号的频谱，即使采用过采样，对信号频谱特性的完整性也是无益的。理论上，满足采样定理的采样时可靠的。
设g （t ）为理想低通滤波器对应的时域信号，则频域采用低通滤波器滤波后等效于在时域进行卷积。根据傅里叶逆变换，g （t ）可表示为
g （t ）=sin （Ωs t /2）Ωs t /2=sin （2πt /T ）
2πt /T （5）
卷积，得
y a （t ）=x
赞a （t ）g （t ）=+∞
n=-∞
Σx a （nT ）sin[π（t-nT ）/T ]π（t-nT ）/T （6）
理论上
y a （t ）=x a （t ）（7）
因此，可得结论：理论上，只要满足采样定理，采样得到的时域离散信号就可无失真恢复出原始模拟信号。
由傅里叶变换定义[4]，时域信号与信号频谱具有一一对应的关系。由式（3）~（7）可知，采样得到序列的频谱与原信号频谱也具有一一对应的关系；原连续模拟信号与采样序列也具有一一对应的关系。这样，理论上就可采用计算方法根据离散采样信号恢复出原模拟信号。因此，理论上，满足采样定理的采样无失真、完全可靠。
2.3频域信号处理理论分析
硬件上，信号常采用数字信号处理器（DSP ）来处
理，这需要进行频域采样。设M 为频率采样点数，N 为时域信号的长度，当M>N 时，就可由频域采样X （k ）恢复出时域信号x （n ），否则会产生时域混叠现象。
根据序列Z 变换定义，序列的Z 变换是唯一的。当序列满足绝对可和条件，且序列的Z 变化收敛域包含单位圆，则序列傅里叶变换实际上是Z 变换在单位圆上的取值。根据离散时间序列傅里叶变换（DTFT ）定义，序列与其频谱是一一对应的。根据序列的离散傅里叶变化（DFT ）
X （k ）=N-1
n=0
Σx （n ）e
-j 2πN
kn （8）
其逆变换
x （n ）=N-1
n=0
ΣX （k ）e
j 2πkn
（9）
可见，序列与其离散傅里叶变换存在一一对应的关系。
求解频域采样值与序列Z 变化的关系，设
X （z ）=N-1
k=0
ΣX （k ）Ψd （ω）
（10）
得
Ψd （ω）=11-e
-j ωN
1-e （）
（11）
Ψd （ω）可认为是频域采样值与序列Z 变换的插值函数。这样，序列的Z 变化与序列的离散傅里叶变换具有一一对应的关系。
可见，只要满足了频域采样定理，序列、Z 变化、离散傅里叶变换均是相互一一对应的。这时就可根据离散频域采样点完全恢复出原时域序列。因此，满足频域
*
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采样定理的频域采样是可靠的。
2.4模数转换理论分析
信号处理后，往往需要进行数模转换。时域离散信
号x a （nT ）恢复为模拟信号的过程是在采样点之间内插的过程。根据式（6），理想低通滤波器用g （t ）作为内插函数，可实现对满足采样定理的离散信号完全无失真恢复。由于g （t ）是非因果序列，工程中无法完全实现，常使用零阶保持器内插,内插后会出现较高的低频分量，保持器后面通过低通滤波器可对谱线高频分量进行滤除。这样数模转换的方法是可靠的。
3
工程中提高信号可靠性的方法
工程中，无法设计理想的信号处理电路。完全按照
理想的临界处理方法处理信号肯定会产生频谱混叠。
滤波器非理想性，会引起频谱混叠；信号截断会引起谱线泄露与谱间干扰；对频域进行低分辨率采样会引起栅栏效应。因此，要可靠进行信号处理，需要存在一定的抗误差冗余度。
3.1过采样法对信号抗混叠滤波性的提高
由于滤波器非理想性，以奈奎斯特采样频率对信
号采样，肯定在奈奎斯特频率的奇数倍处产生频谱混叠。工程中采用3~5倍的奈奎斯特频率采样，可大大减小频谱混叠；缺点是增加了数字处理的数据量，系统实时性也大大降低。
这里介绍一种过采样方法[5]
，可可靠实现信号采样
而几乎不产生频谱混叠。步骤为：首先进行过采样，一般采用奈奎斯特频率的4，8倍或更高频率进行采样；采样后对得到的离散时域序列进行等间隔抽取。理论分析，得到的信号的频谱近似为原模拟信号的频谱。图1示出了带限信号的过采样过程，8倍过采样后，即使使用一阶的低通抗混叠滤波，也几乎不会产生频谱混叠。
因此，对于更高倍的过采样，可完全达到可靠的信号采集。过采样后，在数字域再进行等间距信号抽取，再对抽取的信号进行高阶低通数字滤波，得到信号的频谱基本上就等同于被采样信号的频谱。可见，过采样方法可大大提高信号的抗混叠性，提高采样可靠性。
3.2窗函数对信号截断的影响
数字计算机只能处理有限长序列信号，工程中需
要对信号截断处理。截断信号在频域上等效于信号频谱与窗函数频谱的卷积。截断窗函数长度越长，主瓣越窄，频率分辨率越高；不同的窗函数，旁瓣个数和第一旁瓣峰值增益不同。
截断处理会造成谱线向峰值周围展宽，引起谱线干扰。常用的截取窗函数有：矩形窗、汉明窗、汉宁窗，频域谱线如图2所示。汉明窗具有较低高频增益，对频率的干扰与损伤较小，最适合做窗函数。相比前两者，汉明窗截断信号是相对最可靠的。
3.3补零法与重新采样法对频率分辨率的提高离散傅里叶变换只能得到少量频域采样点处的信
息，大部分频域信息无法得到，引起栅栏效应。下面2种方法可改进栅栏效应的影响。
3.3.1末尾补零法
只要同时满足时域与频域采样定理，原模拟信
号、离散时域信号、Z 变换、离散傅里叶变换之间具有一一对应的关系。从频域采样序列便可无失真地恢复出采样前的连续时域信号。离散傅里叶变化实际上是对序列频谱的以序列长度为采样点个数进行的频域采样。
根据DTFT 定义
X （e j ω
）=+∞
n=-∞
Σx （n ）e
-j n ω
（11）
对于有限长序列x （n ），其DFT 为
图2矩形窗、海明窗、海宁窗的谱线比较
120100806040200幅度
f /Hz
100
101
102
103
矩形窗海宁窗海明窗
（a ）原带限信号
（b ）奈奎斯特采样频率采样后的谱线分布
（c ）4倍过采样
（d ）8倍过采样
图1带限信号过采样过程示意图
f
f
f
f
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X （e j ω
）=N-1
n=0Σx （n ）e
-j n ω
（12）
序列末尾加上M 个0，其DTFT 为X ′（e j ω
）=N-1n=0
Σx （n ）e -j n ω
+M-1n=0
Σ0e -j n ω
=N-1
n=0
Σx （n ）e
-j n ω
（13）
可见，
X （e j ω）=X ′（e j ω
）
（14）
因此，信号末尾插零不会改变信号的频谱。设原序列的长度为N ，根据DFT 定义，
X （k ）=N-1
n=0
Σx （n ）e
-j 2πN
kn （15）
序列末尾插入N 个零后的DFT 为
X ′（k ）=N-1
n=0
Σx （n ）e
-j 2πN+M
kn +M-1
n=0
Σ0e
-j 2πN+M
kn =
N-1
n=0
Σx （n ）e
-j 2πN+M
kn （16）
末尾补零后，序列长度为N+M 。设离散时域信号的时域采样频率为f s ，则补零后频域分辨率为
f s N+M
。如图3所示，补零后，频域离散信息大大增强，而且补零越多，信息越多，信号包络越接近其连续谱线。
3.3.2重新采样法
离散傅里叶变化实际上是对序列频谱以序列点数
为采样点数进行采样得到的。对长度为N 的序列，时
域信号采样频率为f s ，离散傅里叶变换后仅能看到频率为f s N
×k ，k 个点频域采样值。这样栅栏效应很明显。
只要满足频域与时域采样定理，从DFT 频域采样序列便可无失真地恢复出采样前的连续时域信号。因此，对于频域采样点数大于离散时间序列长度的采样，不会丢失信号的谱线信息。对频域进行M 点重新采
样，得到频域分辨率为f s 。图4示出了不同采样点数
进行的重采样。点数越多，信号的频域信息越强，频域
分析更加有效。可见，重新采样法可以大大减小信号的栅栏效应。
图3末尾补零前后，不同补零点数与频域分辨率的关系
（a ）时域信号
20100-10-20
510
（b ）离散傅里叶变换信号（N 点
）
500-5005101520
（c ）2N 个采样点的离散时域信号
6040200
-20
5
10
（d ）4N 个采样点的离散时域信号
500-50
10
20
30
40
幅值
采样点数幅值
采样点数
幅值
采样点数
幅值
采样点数
图4重新采样前后，不同的频域采样点
与频域分辨率之间的关系
（d ）以8N 的序列长进行重采样
50
-50
020406080
6040200-20
50
-50
010203040
（c ）以4N 的序列长进行重采样
（a ）时域离散序列
20100-10-200
5
10
幅值
采样点数（b ）以序列长度N 进行采样后的频域信号
5
10
幅值
采样点数
幅值
采样点数
幅值
采样点数
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4
试验与结论
这里介绍声源定位系统中可靠的语音信号处理方法。设计截止频率为400Hz 的一阶低通滤波器；采用
8倍频率进行过采样。采样后对序列进行等间距的四选一抽取，抽取信号就近似等效于使用理想低通滤波后采样得到的信号。
设计电阻R =16k Ω，电容C =1μF 的一阶无源低通RC 滤波器，其截止频率为392Hz ，可满足信号处理要求。传声器阵列为4个传声器组成的方形传声器阵列，4路信号通过新华龙SOC 开发系统[6]采集后，通过串口发送到上位机，上位机运行MATLAB GUI ，对数据接收与还原，得到4路声源信号。通过抽取、低通数字滤波后，得到的信号近似与原模拟信号高品质采样后得到的信号，如图5所示。
语音信号短时处理一般选取帧长为10~30ms ，帧重叠50%左右。此实验设计帧长为30，帧重叠为15，帧的截取采用汉明窗。如果采样DFT 频域采样进行分析，分辨率为26.67Hz ，无法满足频域分析的要求。采用重新采样法，以4倍的序列长度进行重新采样后，此时频域分辨率为6.67。如图6所示。重新采样后，不会改变信号的包络，但信号频域信息大大增强。
5
总结
从信号处理的角度介绍了信号处理过程中可靠性
处理的方法。从理论上研究了信号各处理步骤之间的
图5语音信号过采样与抽取2个过程的
时域信号与频谱分布
（d ）过采样信号抽取信号幅频特性
10
4
103
10
2
101
0100
200300400
（b ）过采样时域信号波形的频谱
104
103102101
100
200300
400
10005000-500-1000
200
400600
（c ）
过采样信号抽取信号
幅值
幅值
幅值
（a ）过采样时域信号波形
1000500
0-500-1000
1000
2000
3
000
采样点数
幅值
f /Hz
采样点数
f /Hz
图6
不同频率采样点数与离散频域
分辨率的对比
10
2030
（a ）语音信号帧信号
4002000-200-400
采样点数幅值
200015001000500幅值
f /Hz
200
400
600
（b ）语音帧的频谱分布
200015001000500200
400600
（c ）语音帧的离散傅里叶频谱
幅值
f /Hz
（d ）语音帧的离散频谱4倍离散点重采样
200015001000500
幅值
f /Hz
200
400600
（下转第70页）
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数学关系及信号可靠处理条件。提出了过采样提高抗混叠性能方法，分析了不同窗函数与谱线混叠和展宽的关系，提出了序列末尾补零法与重新采样法可以降低信号的栅栏效应。通过低频声源定位系统的实验，证实所提出的方法可大大提高信号处理的可靠性。
参考文献
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[6]Technical Department of Silicon Labs.C8051f020混合信
号微控制器使用手册[G].潘卓金，译.Austin ：SLAB ，2007.
作者简介
梁晓辉，硕士研究生，主要研究方向为声学信号处理、信号采集与测量等。
[责任编辑]侯莉[收稿日期]2010-01-20
检测
EndSub
Private Sub ring （ByValsenderAsSystem.Object ，ByValeAs System.Timers.ElapsedEventArgs ）′振铃信号检测
If SsmGetChState （0）=2Then ′若通道振铃SsmPickup （0）′摘机
CallWelcome （）′播放操作提示EndIf EndSub
Private Sub Rec_DTMF （ByValsenderAsSystem.Object ，ByValeAs System.Timers.ElapsedEventArgs ）′判断按键并执行相应的操作
Dim tmp As Object
CallTimer=Format （Now ，“yyyymmddhhmmss ”）&“.wav ”SsmSetDtmfStopPlay （0，1）′停止放音If SsmGetRxDtmfLen （0）>=1Then SsmGet1stDtmf （0，tmp ）
SsmClearRxDtmfBuf （0）′清除DTMF 缓冲，接收新按键字符Select Case tmp ′判断按下的按键，并执行相应的操作
CaseAsc （“1”）
SsmRecToFile （0，https://www.wendangku.net/doc/4010194301.html,.Directory
Path&“\Record\”&CallTimer ，6，0，60000，0，0）
CaseAsc （“2”）
SHPlayText （0，“留言结束，继续操作请按三
号键”）
SsmStopRecToFile （0）CaseAsc （“3”）
CallWelcome （）EndSelect EndIf
EndSub
5
结语
在社区当中应用电话自动化服务，可以为社区服
务工作提供便利。社区工作人员可以确保信息通知到个人，而退休人员在家中就可以获取信息；退休人员可以拨打社区电话进行留言，将问题反映给社区，由社区来处理；退休人员也可以通过电话查询到一些经费、政策等相关信息。通过实际开发应用表明自动通知、语音信箱、语音查询等社区电话自动化服务成本低廉，功能满足应用要求。
参考文献
[1]李爱振.CTI 技术与呼叫中心[M].北京：电子工业出版社，2002.
[2]MICHAEL B.计算机电话系统-CTI 与呼叫中心[M].姜晓
铭，杨水超，史进，等，译.北京：电子工业出版社，2002.[3]张跃廷，王小科https://www.wendangku.net/doc/4010194301.html, 数据库系统开发完全手册[M].北京：人民邮电出版社，2007.
[4]赵孔新，董娜，李司宇.G.729AB 语音编解码的研究及其在S3C2440上的实现[J].电声技术，2008，32（6）：49-52.[5]宋俊德，段云峰.计算机电话集成技术[M].2版.北京：人民邮电出版社，2000.
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[7]
杨明极，梁晶.具有语音合成的车载蓝牙免提系统设计与实现[J].电声技术，2009，33（1）：36-40.
作者简介
胡寅，硕士研究生，主要研究方向为计算机控制与检测技术等。
[责任编辑]闫雯雯[收稿日期]2009-12-19
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第62页）
通信电声
C ommunication Electroacoustics
可靠性评估方法(可靠性预计、审查准则、工程计算)
电子产品可靠性评估方法培训 课程介绍： 作为快速发展的制造企业，产品可靠性的量化评估是一个难题，尤其是机械、电子、软件一体化的产品。针对此需求，本公司开发了《电子产品可靠性评估方法》课程，以期在以基于应力计数法的可靠性预计和分配、基于寿命鉴定的试验评估法两个方面提供对电子产品的评价数据。并在日常管理实践中，通过质量评价的方式，通过设计规范审查、FMEA分析发现评估中的关键问题点，以便更好地改进。 课程收益： 通过本课程的学习，可以了解电子产品的可靠性评估方法以及导致产品可靠性问题的问题点，为后期的质量管理统计和技术部门的解决问题提供工作依据。 课程时间：1天 【主办单位】中国电子标准协会培训中心 【协办单位】深圳市威硕企业管理咨询有限公司 【培训对象】本课程适于质量工程师、质量管理、测试工程师、技术工程师、测试部门等岗位。 课程特点： 讲师是可靠性技术+可靠性管理、军工科研+民品开发管理的综合背景； 课程包括开展可靠性评估工作的技术措施、管理手段，内容和授课方法着重于企业实践技术和学员的消化吸收效果。 课程本着“从实践中来，到实践中去，用实践所检验”的思想，可靠性设计培训面向设计生产实际，针对具体问题，充分结合同类公司现状，提炼出经过验证的军工和民用产品的可靠性
设计实用方法，帮助客户实现低成本地系统可靠性的开展和提升。 课程大纲： 一、可靠性评估基础 可靠性串并联模型 软件、机械、硬件的失效率曲线 可靠性计算 二、基于应力计数法的可靠性预计与分配 依据的标准 基于用户需求的设计输入应力条件 可靠性分配的计算方法和过程 基于应力计数法的可靠性预计 三、寿命鉴定试验评估方法 试验依据标准要求 试验过程 判定方式 四、产品质量与可靠性审查准则 基于失效机理的可靠性预防措施 系统设计准则（热设计、系统电磁兼容设计、接口设计准则） 机械可靠性设计准则 电路可靠性设计准则（降额、电子工艺、电路板电磁兼容、器件选型方法）嵌入式软件可靠性设计准则（接口设计、代码设计、软件架构、变量定义）五、DFMEA与PFMEA过程的潜在缺陷模式及影响分析方法
可靠性分配及其应用
可靠性分配及其应用 摘要：可靠性分配是系统可靠性设计的重要任务之一，其结果直接影响系统的设计方案。为了能快速获得在一定费用约束条件下的可靠性优化分配结果，减少分配过程中的主观因素，应该通过多种方法，建立了科学、高效的可靠性分配模型。 关键字：可靠性分配；系统；故障率 0 引言 可靠性分配是可靠性设计的重要任务之一，是把系统设计任务书中规定的可靠性指标，由上到下、由大到小、由整体到局部，按一定的分配方法分配给组成该系统的分系统、设备及元件。通过可靠性指标的分配，可以从技术、人力、时间、资源各个方面分析各部分指标实现的难易情况，从而使系统各层次的设计人员明确各自的设计目标，为指标监控和采取改进措施提供依据。[1]对复杂系统来说，为使可靠性分配方案更为合理，要综合考虑系统各组成单元间在重要度、复杂度、技术发展水平、工作时间和环境条件等方面的不同，进行可靠性优化分配的实质就是综合以上各方面因素，在一定的分配原则下，得到合理的可靠性分配值的优化解。 1 可靠性分配的定义 所谓系统可靠性分配就是要求系统在定义体系结构的时候，设法将系统分解成部件(子系统或模块)，并且为了保证各部件的设计时间、难度、风险大致相等，必须根据系统可靠性要求，确定各模块的可靠性，以保证使得系统开发费最低。 从可靠性分配的定义可以看出，可靠性分配要求在系统生存周期的定义阶段就进行，即在系统的可行性论证、需求分析、初步设计、详细设计阶段进行。随着系统设计的深入，我们可以得到更多的相关信息，从而使可靠性分配结果也越来越趋向合理。[14]比如在可行性论证阶段，因为此时系统的相关信息较少，所以我们可以根据类似产品运用类比法进行可靠性初步分配;而到详细设计阶段，由于可以获得系统复杂性、操作剖面等一些信息，我们就可以用更好的分配方法（如基于操作剖面的可靠性分配法）使结果更加精确。事实上，可靠性分配还可以在开发阶段根据需要进行调整。[2]目前，几乎所有的可靠性模型都用于测试操作阶段，是在完成产品开发初始阶段后用来估计系统可靠性的模型，也就是说至少要在完成定义阶段后才能被使用。这些模型共同回答了这样一个问题：“这系统有多可靠”。模型的使用依赖于在系统初始阶段的分析和设计，因此，它们几乎对系统工程的设计、计划阶段没有产生任何影响。可靠性分
可靠性评估
可靠性概念理解： 可靠性是部件、元件、产品、或系统的完整性的最佳数量的度量。可靠性是指部件、元件、产品或系统在规定的环境下、规定的时间内、规定条件下无故障的完成其规定功能的概率。从广义上讲，“可靠性”是指使用者对产品的满意程度或对企业的信赖程度。 可靠性的技术是建立在多门学科的基础上的，例如：概率论和数理统计，材料、结构物性学，故障物理，基础试验技术，环境技术等。 可靠性技术在生产过程可以分为：可靠性设计、可靠性试验、制造阶段可靠性、使用阶段可靠性、可靠性管理。我们做的可靠性评估应该就属于使用阶段的可靠性。 机床的可靠性评定总则在GB/T23567中有详细的介绍，对故障判定、抽样原则、试验方式、试验条件、试验方法、故障检测、数据的采集、可靠性的评定指标以及结果的判定都有规范的方法。对机床的可靠性评估时，可以在此基础上加上自己即时的方法，做出准确的评估和数据的收集。 可靠性研究的方法大致可以分为以下几种： 1）产品历史经验数据的积累； 2）通过失效分析（Failure Analyze）方法寻找产品失效的机理； 3）建立典型的失效模式； 4）通过可靠性环境和加速试验建立试验数据和真实寿命之间的对应关系；5）用可靠性环境和加速试验标准代替产品的寿命认证； 6）建立数学模型描述产品寿命的变化规律； 7）通过软件仿真在设计阶段预测产品的寿命； 大致可把可靠性评估分为三个阶段：准备阶段、前提工作、重点工作。 准备阶段：数据的采集（《数控机床可靠性试验数据抽样方法研究》北京科技大学张宏斌） 用于收集可靠性数据, 并对其量化的方法是概率数学和统计学。在可靠性工程中要涉及到不确定性问题。我们关心的是分布的极尾部状态和可能未必有的载荷和强度的组合, 在这种情形下, 经常难以对变异性进行量化, 而且数据很昂贵。因此, 把统计学理论应用于可靠性工程会更困难。当前，对于数控机床可靠性研究数据的收集方法却很少有人提及, 甚至可以说是一片空白。目前, 可靠性数据的收集基本上是以简单随机抽样为主, 甚至在某些情况下只采用了某一个厂家在某一个时间段内生产的机床进行统计分析。由此所引发的问题就是: 这样收集的数据不能够很好地反映数控机床可靠性的真实状况, 同时其精度也不能够令人满意。 由于现在数控机床生产厂家众多、生产量庞大、机床型号多以及成产的批次多，这样都对数据的收集带来了很大的困难。因此，在数据采样时： （1）必须采用合理的抽样方法来得到可靠性数据; （2）简单随机抽样是目前普遍应用的抽样方法,但是必须抽取较大的样本量才能够获得较高的精度和信度; 针对以上的特点有三种数据采集的方法可以选择：简单随机抽样、二阶抽样、分层抽样。 （1）简单随机抽样：从总体N个单元中，抽取n个单元，保证抽取每个单元或者几个单元组合的概率相等。
船舶结构可靠性分析
大连海洋大学 船舶结构可靠性分析Analysis of the reliability of the ship structure 船舶结构可靠性分析研究综述 研究领域：船舶与海洋工程（专硕） 姓名：邓英杰 学号： 2015085223012
船舶结构可靠性分析研究综述 摘要：结构可靠性理论是60年代后才发展起来的一门新兴学科，作为结构强度理论与计算结构力学的一个新分支，具有工程实践和船舶安全评价的重大意义。本文就船舶结构可靠性分析近代的发展做了总结性的综述，从载荷、承载能力、可靠性分析方法三个角度出发，并对其今后的研究方向提出了建议。 关键词：船舶结构；可靠性；船舶安全评价；分析方法 1 前言 传统的船舶结构强度计算方法采用的是确定性方法，将船体载荷和材料力学特性等诸多因素都看做是确定性的单值量，这与实际不符，传统的确定性设计已不能满足现代船舶发展的需求，而采用概率统计的方法相比之下更为合理，进而诞生了船舶结构可靠性分析这一学科。 1969年，挪威学者Nordenstrom【1】发表船舶结构分析里程碑的一篇文章，率先将波浪载荷和船舶总纵强度的承载能力看做是随机分布的变量，进而分析船体的失效概率。1972年，美国学者对船体总纵强度的概率模型进行了系统的专题研究，船舶结构可靠性分析理论得到了进一步的发展。 上个世纪80年代中期，船舶可靠性分析方法已经建立了起来。目前，世界各大船级社都在制定以可靠性分析为基础的船舶结构设计规则。
2 载荷 对于船舶结构，静水载荷和波浪载荷是两种主要的载荷形式。 波浪载荷的理论计算是基于上个世纪50年代末的切片理论建立起来的。80年代后期，人们对波浪载荷的研究增加了许多新的内容。S.G.Stiansen【2】提出了波浪载荷的概率模型，研究了低频相应和高频效应的概率组合问题；美国学者 C.G.Soares 从当时的技术水平出发，提出了一个船舶波浪载荷效应的可靠性分析标准模式。该方法的创新性在于，在线性切片理论计算船体波浪弯矩的基础之上，将高频载荷以经验性影响因子的形式与低频波浪弯矩组合。 在早期, 波浪载荷计算中应用的大多是线性理论。随着研究的深入和实践经验的增加, 波浪载荷的非线性性质引起了人们的关注。大量的实船测量和船模试验表明, 行驶在汹涛中的高速舰船, 由于船体的非直舷, 以及底部砰击、外张砰击和甲板上浪等因素的影响, 导致舰船的运动, 特别是波浪载荷呈明显的非线性。这时, 在规则波中的运动不再具有简谐性质, 中垂波浪弯矩幅值明显大于中拱时的幅值。加突出的是, 由于底部砰击和外张砰击, 使船体剖面内出现高频振动弯矩。这种弹性振动是一种瞬态响应, 在高海况下, 两者迭加而成的中垂合成弯矩幅值将远大于线性理论的计算结果。 为了计算砰击振动弯矩，一种被称为“两步走”的方法被广泛使用，即先在刚体假设下计算船体运动和作用在其上的水动力，
风险评估技术-人因可靠性分析(HRA)
人因可靠性分析(HRA) 1 概述 人因可靠性分析(Human reliability analysis，简称HRA)关注的是人因对系统绩效的影响，可以用来评估人为错误对系统的影响。 很多过程都有可能出现人为错误，尤其是当操作人员可用的决策时间较短时。问题最终发展到严重地步的可能性或许不大。但是，有时，人的行为是惟一能避免最初的故障演变成事故的防卫。 HRA的重要性在各种事故中都得到了证明。在这些事故中，人为错误导致了一系列灾难性的事项。有些事故向人们敲响警钟，不要一味进行那些只关注系统软硬件的风险评估。它们证明了忽视人为错误这种诱因发生的可能性是多么危险的事情。而且，HRA可用来凸显那些妨碍生产效率的错误并揭示了操作人员及维修人员如何“补救”这些错误和其他故障(硬件和软件)。 2 用途 HRA可进行定性或定量使用。如果定性使用，HRA可识别潜在的人为错误及其原因，从而降低了人为错误发生的可能性；如果定量使用，HRA可以为FTA(故障树)或其它技术的人为故障提供数据。 3 输入 人因可靠性分析方法的输入包括： ●明确人们必须完成的任务的信息； ●实际发生及有可能发生的各类错误的经验； ●有关人为错误及其量化的专业知识。 4 过程 HRA过程如下所示： ●问题界定——计划调查/评估哪种类型的人为参与？ ●任务分析——计划怎样执行任务？为了协助任务的执行，需要哪类帮
助？ ●人为错误分析——任务执行失败的原因？可能出现什么错误？怎样补救 错误？ ●表示——怎样将这些错误或任务执行故障与其他硬件、软件或环境事项 整合起来，从而对整个系统故障的概率进行计算？ ●筛查——有不需要细致量化的错误或任务吗？ ●量化——任务的单项错误和失败的可能性如何？ ●影响评估——哪些错误或任务是最重要的？哪些错误或任务是可靠性或 风险的最大诱因？ ●减少错误——如何提高人因可靠性？ ●记录——有关HRA的哪些详情应记录在案？ 在实践中，HRA会分步骤进行，尽管某些部分(例如任务分析及错误识别)有时会与其他部分同步进行。 5 输出 输出包括： ●可能会发生的错误的清单以及减少损失的方法——最好通过系统改造； ●错误模式、错误类型、原因及结果； ●错误所造成风险的定性或定量评估。 6 优点及局限 HRA的优点包括： ●H RA提供了一种正式机制，对于人在系统中扮演着重要角色的情况，可以将人为错误置于系统相关风险的分析中； ●对人为错误的模式和机制的正式分析有利于降低错误所致故障的可能性。 局限包括： ●人的复杂性及多变性使我们很难确定那些简单的失效模式及概率； ●很多人为活动缺乏简单的通过/失败模式。HRA较难处理由于质量或决策不当造成的局部故障或失效。
配电网可靠性评估算法的分类
配电网供电可靠性的评估算法 配电系统可靠性的评估方法是在系统可靠性评估方法的基础上,结合配电系统可靠性评估的特点而形成的。配电系统可靠性评估的大致思路是根据配电系统中元件运行的历史数据评价元件的可靠性指标，根据网络的拓扑结构、潮流分析、保护之间的配合关系以及元件的可靠性指标评价各个负荷点可靠指标，最后综合各个负荷点的可靠性指标，得出配电系统的可靠性指标。 目前研究电力系统可靠性有两种基本方法：一种是解析法，另一种是模拟法。 一：解析法：用抽样的方法进行状态选择，最后用解析的方法进行指标计算。 （1）故障模式影响分析法：通过对系统中各元件可靠性数据的搜索，建立故障模式后果表，然后根据所规定的可靠性判据对系统的所有状态进行检验分析，找出各个故障模式及后果，查清其对系统的影响，求得负荷点的可靠性指标。适用于简单的辐射型网络。。 （2）基于最小路的分析法：是先分别求取每个负荷点的最小路，将非最小路上的元件故障对负荷点可靠性的影响，根据网络的实际情况，折算到相应的最小路的节点上，从而，对于每个负荷点，仅对其最小路上的元件与节点进行计算即可得到负荷点相应的可靠性指标。算法考虑了分支线保护、隔离开关、分段断路器的影响，考虑了计划检修的影响，并且能够处理有无备用电源和有无备用变压器的情况。 （3）网络等值法：利用一个等效元件来代替一部分配电网络，并将那部分网络的可靠性等效到这个元件上，考虑这个元件可靠性对上下级馈线的影响，从而将复杂结构的配电网逐步简化成简单辐射状主馈线系统。 （4）分层评估算法：利用系统元件的可靠性数据与系统网络拓扑结构建立了系统的可靠性数学模型，在基于故障扩散的分层算法来进行系统的可靠性评估。可快速算出可靠性指标并找出供电的薄弱环节。 （5）基于最小割集的分析法。最小割集是一些元件的集合，当它们完全失效时，会导致系统失效。最小割集法是将计算状态限制在最小割集内，避免计算系统的全部状态，大大节省了时间，并近似认为系统的失效度可以为各个最小割集的不可靠度的总和。当每条支路存在大量元件时，计算量显著降低；且效率高，编程思路清晰，易于实现。本方法的关键是最小割集的确定。 （6）递归算法：先将网络用树型（多叉树）数据结构表示，利用后序遍历和前序遍历将每一馈线都用一包含了此馈线的所有数据节点来表示，由负荷点所在的顶端依次往上递归，并保留原节点，这样不仅可以算出整体可靠性指标，还可以算出所有负荷点的可靠性指标。 （7）单向等值法：将下一层网络单向等值为上一层网络，将断路器/联络开关间的元件和负荷点等值为一节点，再由下而上削去断路器/联络开关，最终可等值一个节点，便可得出整体的可靠性。由于馈线中有熔断器、变压器等存在，因此在等值前后整个网络的可靠性指标
人因可靠性分析实用版
YF-ED-J3347 可按资料类型定义编号 人因可靠性分析实用版 In Order To Ensure The Effective And Safe Operation Of The Department Work Or Production, Relevant Personnel Shall Follow The Procedures In Handling Business Or Operating Equipment. （示范文稿） 二零XX年XX月XX日
人因可靠性分析实用版 提示：该解决方案文档适合使用于从目的、要求、方式、方法、进度等都部署具体、周密，并有很强可操作性的计划，在进行中紧扣进度，实现最大程度完成与接近最初目标。下载后可以对文件进行定制修改，请根据实际需要调整使用。 第一节人因可靠性研究 一、人因可靠性分析的研究背景 随着科技发展，系统及设备自身的安全与 效益得到不断提高，人-机系统的可靠性和安全 性愈来愈取决于人的可靠性。核电厂操纵员可 靠性研究是“核电厂人因工程安全”的主要组 成部分。在核电厂发生的重大事件和事故中， 由人因引起的已占到一半以上，震惊世界的三 里岛和切尔诺贝利核电厂事故清楚地表明，人 因是导致严重事故发生的主要原因。 据统计，(20~90)%的系统失效与人有关，
其中直接或间接引发事故的比率为(70~90)%，这其中包括许多重大灾难事故，如： l 印度Bhopal化工厂毒气泄漏 l 切尔诺贝利核电站事故 l 三里岛核电站事故 l 挑战者航天飞机失事 因此，如何把人的失误对于风险的后果考虑进去，以及如何揭示系统的薄弱环节，在事故发生之前加以防范，便成为亟待解决的重要问题。而这些都以详尽和准确的人因可靠性分析(Human Reliability Analysis，HRA)为基础。对人因加以研究，在核电厂各个阶段应用人因工程的原则来防止和减少人的失误，已成
配电网论文题目
配电网故障恢复与网络重构 [1]邹必昌.含分布式发电的配电网重构与故障恢复算法研究[D].武汉大学 2012 [2]潘淑文加权复杂网络抗毁性及其故障恢复技术研究[D].北京邮电大学 2011 [3]周永勇.配电网故障诊断、定位及恢复方法研究[D].重庆大学2010 [4]丁同奎.配电网故障定位、隔离及网络重构的研究[D].东南大学2006 [5]周睿.配电网故障定位与网络重构算法的研究[D].哈尔滨工业大学 2008 [6]姚玉海.基于网络重构和电容器投切的配电网综合优化研究[D].华北电力大学 2012 配电网脆弱性分析与可靠性评估 [1]汪隆君.电网可靠性评估方法及可靠性基础理论研究[D].华南理工大学 2010 [2]何禹清.配电网快速可靠性评估及重构方法研究[D].湖南大学2011 [3]王浩鸣.含分布式电源的配电系统可靠性评估方法研究[D].天津大学 2012
[4]任婷婷.改进网络等值法在配电网可靠性评估中的应用研究[D].太原理工大学 2012 [5]吴颖超.含分布式电源的配电网可靠性评估[D].华北电力大学2011 [6]王新智.电网可靠性评估模型及其在高压配电网中的应用[D].重庆大学 2005 [7]郑幸.基于蒙特卡洛法的配电网可靠性评估[D].华中科技大学2011 配电网快速仿真与模拟 [1]周博曦.基于IEC 61968标准的配电网潮流计算系统开发[D].山东大学 2012 [2]徐臣.配电快速仿真及其分布式智能系统关键问题研究[D].天津大学 2009 [3]马其燕.智能配电网运行方式优化和自愈控制研究[D].华北电力大学（北京）2010 [4]康文文.面向智能配电网的快速故障检测与隔离技术研究[D].山东大学 2011 [5]许琪.基于配电网的馈线自动化算法及仿真研究[D].江苏科技大学 2012
城市中压配电网的可靠性评估方法研究
城市中压配电网的可靠性评估方法研究 发表时间：2019-01-08T10:45:19.233Z 来源：《电力设备》2018年第24期作者：李壁辉 [导读] 摘要：配电网是一个综合性的系统，文章第一步对中压配电网可靠性进行了相关论述，重点放在了可靠性的评估标准以及这些标准的特性上，针对现有的配电网可靠性评估方法展开论述，运用对比分析的手法解析了现有中压配电网可靠性评估的方法，其中最有代表性的就是网络等值法和分块算法，深入解析了配电网自愈控制的必要性，及其对配电网可靠性影响，文末对今后配电网的走向进行了展望。 （广东电网揭阳揭西供电局有限责任公司广东省揭阳市 515400） 摘要：配电网是一个综合性的系统，文章第一步对中压配电网可靠性进行了相关论述，重点放在了可靠性的评估标准以及这些标准的特性上，针对现有的配电网可靠性评估方法展开论述，运用对比分析的手法解析了现有中压配电网可靠性评估的方法，其中最有代表性的就是网络等值法和分块算法，深入解析了配电网自愈控制的必要性，及其对配电网可靠性影响，文末对今后配电网的走向进行了展望。 关键词：配电网；可靠性评估；网络等值法；分块算法 在现有的配电网可靠性分析方法中，最为有效的就是模拟法和解析法两种。在网络等值法和分块算法之上的混合算法有着很大的可行性，其在计算速度上有着很明显的提高，不过其要对复杂配电网展开等值或者分块是比较复杂的，必须要借助先进的拓扑分析理念，这就需要大量的时间成本，故而，在实际条件下不是很合适，一般使用的是解析法。现在运行的配电网可靠性方法都有其独特的优势，但是同时也有各自的技术难题和不足之处。 1配电网可靠性评估的指标和各个指标的特点 所谓的配电网可靠性，详细来说就是两点，一是其自身的可靠性，二是其向用户供电能力的可靠性。配电系统可靠性的评估标准一般是：平均故障率、故障状态下的断电时间、年平均持续断电时长。配电网技术在近年来得到了极大的提升，通常配电网都是具有很大规模的，内部结构极为复杂，有兼具开环和闭环的环网，有联络断路器等。在线路的布置上也不一而足，同时还需要借助开关进行分割。不过，对于配电网可靠性指标而言，高阶失效事件一般也不会带来多大的影响，它的辐射式乃至弱环网的特性，使得配电原件出现损坏的概率大大减小，同时断电的时间也变得极低。 2常用的配电网可靠性评估研究方法 2.1网络等值法 2.1.1网络等值法的实现 配电网中一般都有着很多的馈线，其又可以再分为主馈线和分支馈线。后者的分支还可以继续延伸，分支馈线内有各种原件和相关联的负荷支路，借助配电网的这个特点，就很容易对配电网进行层次划分了。馈线及其含有的部件可以构成一个级，然后它的分支就可以划分在下一级了，不过需要强调的是分支馈线需要列在同一层。所谓的区域网络，就是将馈线作为基础的各个区域的集成，在这里面的原件及负荷点具有相似的性能指标，比如同样的断电时间和可靠性指标，如此一来，在进行可靠性评估时，网络节点数和负荷点数就可以大大的降低了，进而也能够保证评估时的计算量。 2.1.2网络等值法的缺点 再繁杂的配电网都能够借助馈线分层来简化，但是这个过程的工作量是极大的，对于各个子系统需要不断地进行等效，节点需要不断地合并分解，在结果上就是将呈现一个连续的系统，同时还有负荷的可靠性，但是并不是单个的负荷可靠性指标，要得到这个结果还需要进一步的计算，这又是一个庞大的计算量。 2.2分块计算 2.2.1分块计算的实现 把系统列为很多块，其间含有多个元素，故障节点能够在块的基础上进行检索，运用的手段为故障扩散法，由此就能够得出负荷点，乃至于馈线和系统的可靠性指标也就有了。块是在邻接矩阵的基础上产生的，在存储方式上使用的是稀疏技术，如此一来就不用对元素逐一列举了，在时间上就有了很大的余量，进而也就减少了对系统的评估时间。分块算法自身的劣势也很大，当面对节点和开关数目较多的网络时，分块需要的时间是很长的，这在实际环境下并不具有可行性。 2.2.2分块计算的缺点 运用稀疏技术的好处就是节省了大量对元素的列举时间，但是在节点和开关数目较多时，时间也会比较长，这样一来优势就会丧失。 2.3失负荷分析 2.3.1失负荷分析的实现 失负荷一般有两种情况，一种是全部失负荷，还有一种就是部分失负荷。如果故障点位于供电的最小割集中，负荷供电就会彻底瘫痪，转换为全部失负荷。但是当其出现在有容量约束的电力原件时，其他原件负载就会变大，进而变成部分负荷被割离，就是部分失负荷。实际情况下，配电网中多含有环状网和有容量约束的原件，因此在进行可靠性评估时，必须要注意部分失负荷对其的影响。在辐射型配电网中，如果具有能够进行负荷转移的联络开关，那么容量约束的作用就要重点关注了。笔者建议运用树状网二次潮流估计法来进行失负荷解析，其优势在于能够极大的简化计算。 2.3.2失负荷分析的缺点 使用此种方法来解析失负荷时，尽管可以在一定程度上简化计算，但是其花费在对故障潮流计算上的时间就已经很多了。 3未来研究方向展望 至于为何要进行配电网评估方法的研究，为的就是找到一种合适的方法去加强配电网的可靠性，就目前来看，发展智能配电网自愈控制技术极有必要，其不但能够提升配电网的可靠性和安全性，同时还能够避免大规模停电事件的出现，处理大量DG 接入的难题。配电网可靠性提升的关键就在智能配电网自愈控制技术，在配电网出现问题时，能够缩短非故障段的断电时长，但是也有一些因素限制了配电网自愈控制功能的达成，比如智能剖析和决策能力等，在今后的时间里应该投入更多的精力，实现相关技术的突破。 在当前这个时期，不管是何种针对网络连通性的分析手段，都必须要对单个负荷点或失效事件展开一次全面的网络拓扑搜索，在特性上表现为规模巨大，同时花费时间也极长，这样一来其在实用性上也有一定的阻碍。有鉴于此，在以后的发展历程中，必须要加大研究的力度；从其他配电网可靠性评估方面展开剖析，当前的探究依旧处在前期阶段，各个方面都需要花费时间进行完善。除此之外，当前行业
人因可靠性分析正式版
In the schedule of the activity, the time and the progress of the completion of the project content are described in detail to make the progress consistent with the plan.人因可靠性分析正式版
人因可靠性分析正式版 下载提示：此解决方案资料适用于工作或活动的进度安排中，详细说明各阶段的时间和项目内容完成的进度，而完成上述需要实施方案的人员对整体有全方位的认识和评估能力，尽力让实施的时间进度与方案所计划的时间吻合。文档可以直接使用，也可根据实际需要修订后使用。 第一节人因可靠性研究 一、人因可靠性分析的研究背景 随着科技发展，系统及设备自身的安全与效益得到不断提高，人-机系统的可靠性和安全性愈来愈取决于人的可靠性。核电厂操纵员可靠性研究是“核电厂人因工程安全”的主要组成部分。在核电厂发生的重大事件和事故中，由人因引起的已占到一半以上，震惊世界的三里岛和切尔诺贝利核电厂事故清楚地表明，人因是导致严重事故发生的主要原因。 据统计，(20~90)%的系统失效与人有
关，其中直接或间接引发事故的比率为(70~90)%，这其中包括许多重大灾难事故，如： l 印度Bhopal化工厂毒气泄漏 l 切尔诺贝利核电站事故 l 三里岛核电站事故 l 挑战者航天飞机失事 因此，如何把人的失误对于风险的后果考虑进去，以及如何揭示系统的薄弱环节，在事故发生之前加以防范，便成为亟待解决的重要问题。而这些都以详尽和准确的人因可靠性分析(Human Reliability Analysis，HRA)为基础。对人因加以研
机械可靠性综述
机械可靠性设计综述 摘要：可靠性优化设计是在常规优化设计的基础上，结合可靠性设计理论发展起来的一种有效的优化设计方法。本文在总结现有文献的基础上对机械可靠性优化设计进行了综述，系统阐述了机械可靠性、可靠性设计、可靠性优化设计及可靠性试验的理论及方法。 关键词：可靠性；优化设计；可靠性试验 Review of Optimization Design of Mechanical Reliability REN Ju-peng (School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Student ID: 1270174) Abstract：On the basis of traditional optimization design, combined with the theory of reliability design, reliability optimization design is an effective optimization design method. In this paper, the existing literatures are firstly summarized, then the theory and method of mechanical reliability, reliability design, reliability optimization design and reliability test are systematically reviewed. Key words：reliability; optimization design; reliability test 随着现代工业技术的飞速发展，机械产品日趋复杂化、大型化、高参数化，使产品发生故障的机会增多，因而，可靠性作为产品质量的主要指标，愈来愈受到工程界的重视。机械可靠性，是指机械产品在规定的使用条件、规定的时间内完成规定功能的能力。机械的可靠性是机械设计的主要目的之一，有效地增强产品质量、降低产品成本、减轻整机质量、提高可靠性和作业效率是可靠性设计的主要目标。随着工业技术的发展，机械产品性能参数日益提高，结构日趋复杂，使用场所更加广泛，产品的性能和可靠性问题也就越来越突出。机械可靠性设计的基本任务是在故障物理学研究的基础上，结合可靠性试验以及故障数据的统计分析，提供实际计算的数学力学模型和方法及实践。 科技研究人员和工程设计人员积极投入到可靠性工程的研究与实践之中，取得了可喜的成果。张义民[1]结合现代数学力学理论，系统地阐明机械可靠性设计、机械动态可靠性设计、机械可靠性优化设计、机械可靠性灵敏度设计、机械可靠性稳健设计等可靠性设计理论与方法内涵与递进。陈静等[2]阐述了机械产品优化设计及可靠性的相关理论，介绍了可靠性优化设计的应用及发展现状，并介绍了机械行业相关的软件应用情况。喻天翔等[3]对当前机械可靠性的特点和争议进行介绍，从Bayesian理论、FMECA和疲劳可靠性试验三个方面总结了机械可靠性试验技术相关的重要理论问题及其发展，并阐述了可靠性增长试验、加速试验和微机械可靠性试验技术的国内外发展，总结了机械可靠性试验技术研究存在的问题及其发展趋势。 本文将在上述文献的基础上对机械可靠性优化设计进行综述，系统阐述机械可靠性、可靠性设计、可靠性优化设计及可靠性试验的理论及方法。 1可靠性设计 1.1 可靠性设计 传统的机械设计方法认为零件的强度和应力都是单值，只要计算出的安全系数大于规定的安全系数，就认为零件是安全的，因而设计过程中忽略了各设计参数的随机性。可靠性设计将零件的应力和强度作为随机变量，认为应力受到各种环境因素(温度、腐蚀、粒子辐射等)的影响，具有一定的分布规律；强度受材料的性能、工艺环节的波动和加工精度等的影响，也是具有一定的分布规律。可靠性设计认为所设计的任一机械存在着一定的失效可能性，设计时根据需要预先控制的失效概率或可靠度，考虑各参数的随机性及分布规律，以反映出零部件的实际工作状况。 产品的可靠性表示产品在规定使用条件和使用期限内，保持其正常技术性能完成规定功能的能力。可靠性设计的一个目标是计算可靠度，可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。其表达式为： ()0 () x g X R f X dX > =? 式中f x(X)为基本随机参数向量 T 12 (,,) n X X X X =???的联合概率密度；g(X)为状态函数，可表示零件的不同状态：g(X)>0为安全状态，
结构可靠性理论的现状与发展
结构可靠性理论的现状与发展 1.引言 工程结构设计的主要目的在于以最经济的途径来满足建筑物的功能要求，而可 靠度是满足这一目的的有效控制参数。可靠度理论是在20世纪40年代开始提出的。最早源于军事需要用来提高电子元件的可靠度。将可靠度理论引入结构工程并加以发展无疑是结构工程学科的重大进展之一，并在许多方面得到成功应用。我国对结构可靠度理论的研究工作开展得较晚。20世纪60年代土木工程界曾广泛开展过结构安全度的研究和讨论；20世纪70年代把半经验半概率的方法用于结构设计规范中，并于1980年提出《结构设计统一标准》，从此，结构可靠度理论的应用才在国内开展。 结构可靠性通常定义为：在规定的使用条件和环境下，在给定的使用寿命期间，结构有效地承受载荷和耐受环境而正常工作的能力。结构可靠性的数t指标通常用概率表示，称为结构可靠度。结构可靠性是一个广义概念，通常包含结构的安全性、适用性和耐久性三个方面。 为保证结构的可靠性，首先要研究建造结构所使用材料的各项力学性能，结构上各种作用的特性，结构的内力分析方法及结构的破坏机理，除此之外，还要做到精心设计，选取合理的结构布置方案和保证结构具有明确的传力路径；精心施工，严格按照施工规程进行操作；正常使用，按设计要求使用结构并进行正常维护。然而，即便如此，也不能保证结构绝对的安全或可靠，这是因为在结构的设计、建造和使用过程中，还存在着种种影响结构可靠性的不确定性。即随机性、模糊性和知识的不完善性，合理、正常的设计、施工和使用只是保证结构具有一定可靠性的前提和基本条件。 自20世纪20年代起，国际上开展了结构可靠性基本理论的研究，并逐步扩展到结构分析和设计的各个方面，包括我国在内，研究成果已应用于结构设计规范，促进了结构设计基本理论的发展。本文将基于大量的研究文献，从结构可靠性分析方法、结构体系可靠度、结构承载能力与正常使用极限状态可靠度、结构疲劳与动力可靠度、钢筋混凝土结构施工期与老化期可靠度五个方面对国内外工程结构可靠度理论和应用的发展现状作概括性地介绍， 2.结构可靠性分析方法 2.1 一次二阶矩法 在实际工程中，占主流的一次二阶矩法应用相当广泛，已成为国际上结构可靠度分析和计算的基本方法。其要点是非正态随机变量的正态变换及非线性功能函数的线性化由于将非线性功能函数作了线性化处理，所以该类方法是一种近似的计算方法，但具有很强的适用性，计算精度能够满足工程需求。均值一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法、Jc法、几何法都是以一次二阶矩法为基础的可靠度计算方法。 (1)均值一次二阶矩法。早期结构可靠度分析中，假设线性化点x 0t 就是均值点 m ，而由此得线性化的极限状态方程，在随机变量X t (i=1，2，?，n)统计独立的条 件下，直接获得功能函数z的均值m x 及标准差σ x ，由此再由可靠指标β的定义求取 β= m x／σx。该方法对于非线性功能函数，因略去二阶及更高阶项，误差将随着线
可靠性分配理论及其应用
可靠性分配及其应用 [摘要]可靠性分配是系统可靠性设计的重要任务之一，其结果直接影响系统的设计方案。为了能快速获得在一定费用约束条件下的可靠性优化分配结果，减少分配过程中的主观因素，建立了可靠性预计值的可靠性分配模型，并设计了新的编码方式和新的变异率调整模型，使改进后的遗传算法能用于求解复杂系统的可靠性分配问题。最后给出导弹武器可靠性分配的计算实例和结果分析。 0 引言 可靠性分配是可靠性设计的重要任务之一，是把系统设计任务书中规定的可靠性指标，由上到下、由大到小、由整体到局部，按一定的分配方法分配给组成该系统的分系统、设备及元件。通过可靠性指标的分配，可以从技术、人力、时间、资源各个方面分析各部分指标实现的难易情况，从而使系统各层次的设计人员明确各自的设计目标，为指标监控和采取改进措施提供依据。对复杂系统来说，为使可靠性分配方案更为合理，要综合考虑系统各组成单元间在重要度、复杂度、技术发展水平、工作时间和环境条件等方面的不同，进行可靠性优化分配的实质就是综合以上各方面因素，在一定的分配原则下，得到合理的可靠性分配值的优化解。 1 可靠性分配的定义 所谓系统可靠性分配就是要求系统在定义体系结构的时候，设法将系统分解成部件(子系统或模块)，并且为了保证各部件的设计时间、难度、风险大致相等，必须根据系统可靠性要求，确定各模块的可靠性，以保证使得系统开发费最低。 从可靠性分配的定义可以看出，可靠性分配要求在系统生存周期的定义阶段就进行，即在系统的可行性论证、需求分析、初步设计、详细设计阶段进行。随着系统设计的深入，我们可以得到更多的相关信息，从而使可靠性分配结果也越来越趋向合理。比如在可行性论证阶段，因为此时系统的相关信息较少，所以我们可以根据类似产品运用类比法进行可靠性初步分配;而到详细设计阶段，由于可以获得系统复杂性、操作剖面等一些信息，我们就可以用更好的分配方法(如基于操作剖面的可靠性分配法)使结果更加精确。事实上，可靠性分配还可以在开发阶段根据需要进行调整。
分布式电源对配电网的可靠性影响
分布式电源对配电网的可靠性影响 摘要：凭借运行方式灵活、环境友好等特点，越来越多的分布式电源被接入到配电网中，这在对配电系统的结构和运行产生一系列影响的同时，也将改变原有的配电系统可靠性评估的理论与方法。由于用户可以同时从传统电源和分布式电源两方面获取电能，配电系统的故障模式影响分析过程将发生根本性改变，需要考虑系统的孤岛运行。此外，风机、光伏等可再生分布式电源出力波动性以及储能装置运行特性的影响更加剧了问题的复杂性。 本文使用一种分布式电源低渗透率情形下配电系统可靠性评估的准序贯蒙特卡洛模拟方法，计算与用户相关的配电类可靠性指标,指标分别为EENS，SAIDI,和SAIFI。应用馈线区的概念，研究了分布式电源接入后配电系统的故障模式影响分析过程，对系统中的孤岛进了分类，并采用启发式的负荷削减方法维持孤岛内的电力平衡。在上级电源容量充足的前提下，该方法对系统中非电源元件的状态进行序贯抽样，而对风机、光伏、蓄电池组等分布式电源的状态进行非序贯抽样，可以在确保一定计算精度的同时提高模拟速度。 关键词：配电系统，可靠性评估，分布式电源，馈线区，准序贯蒙特卡洛模拟
1、分布式发电发展概况 作为集中式发电的有效补充，分布式发电近年来备受关注，分布式发电技术也日趋成熟，其发展正使得现代电力系统进入了一个崭新的时代。尽管到目前为止，分布式发电尚无统一的定义，但通常认为，分布式发电（Distributed Generation,DG）是指发电功率在几千瓦至几十兆瓦之间的小型化、模块化、分散化、布置在用户附近为用户供电的小型发电系统。它既可以独立于公共电网直接为少量用户提供电能，又可以接入配电系统，与公共电网一同为用户提供电能。按照分布式电源（Distributed Energy Resource, DER或Distributed Generator,DG）是否可再生，分布式发电可分为两类：一类是可再生能源，包括太阳能、风能、地热能、海洋能等发电形式；另一类是不可再生能源，包括内燃机、热电联产、微型燃气轮机、燃料电池等发电形式。此外，分布式发电系统中往往还包括储能装置。 分布式发电的优势包括： 1）经济性：由于分布式发电位于用户侧，靠近负荷中心，因此大大减少了输配电网络的建设成本和损耗；同时，分布式发电规划和建设周期短，投资见效快，投资的风险较小。 2）环保性：分布式发电可广泛利用清洁可再生能源，减少化石能源的消耗和有害气体的排放。 3）灵活性：分布式发电系统多采用性能先进的中小型模块化设备，开停机快速，维修管理方便，调节灵活，且各电源相对独立，可满足削峰填谷、对重要用户供电等不同的需求。 4）安全性：分布式发电形式多样，能够减少对单一能源的依赖程度，在一定程度上缓解能源危机的扩大；同时，分布式发电位置分散，不易受意外灾害或突发事件的影响，具有抵御大规模停电的潜力。 上述分布式发电的独特优势是传统的集中式发电所不具备的，这成为了其蓬勃发展的动力。为此，世界上很多国家和地区都制定了各自的分布式发电发展战略。例如，在2001年，美国的DG容量就占到了当年总发电容量的6%，而其于同年制定完成的DG互联标准IEEE P1574，则规划在10-15年后DG容量将占到全国发电量的10-20%；欧盟也于2001年制定了旨在统一协调欧洲各国分布式电源的“Integration”计划，预计在2030年DG容量达到发电总装机容量的30%左右；我国对DG的发展也十分重视，相继颁布了《可再生能源法》和《可再生能源中长期发展计划》，计划在2020年DG容量达到总装机容量的8%。 但是，在伴随着诸多好处的同时，分布式发电的发展给电力系统，特别是配电系统的规划、分析、运行、控制等各个环节都带来了全新的挑战。分布式电源自身的特性决定了一些电源的出力将随着外部条件的变化而变化，因此这些电源不能独立地向负荷供电，且不可调度。而对于配电系统而言，当DG规模化接入配电系统后，配电系统由原来单一的分配电能的角色转化为集电能收集、电能传输、电能存储和电能分配于一体的“电力交换系统”（Power Exchange System）或“主动配电网络”（Active Distribution Networks），配电网的结构出现了根本性的变化，不再是传统的辐射状的、潮流单向流动的被动系统，给电压调节、保护协调和能量优化带来了新的问题。特别是当配电系统中DG的容量达到较高的比例，即高渗透率时，要实现配电网的功率平衡和安全运行，并保证用户的供电可靠性有着很大的困难。
工程结构可靠度理论的研究现状与展望
工程结构可靠度理论的研究现状与展望 刘玉彬 (大连民族学院土木建筑工程学院,辽宁大连 116605) 摘 要:对结构可靠度理论及应用的国内外研究现状进行了概括性总结;简要叙述了可靠度理论在我 国工程结构设计规范的发展中所起的推动作用;提出结构可靠度理论将朝着正常使用极限状态结构的可靠度、结构的疲劳可靠度、结构的模糊可靠度、结构的动力可靠度、结构的体系可靠度等方向进行研究,以期为我国在这方面研究的进一步发展提供参考1 关键词:工程结构;可靠度;研究现状;设计标准;发展趋势中图分类号:T U3文献标识码:A 文章编号:1009-315X (2006)05-0001-03 工程结构可靠度是指结构在规定的时间内, 在规定的条件下,完成预定功能的能力1“规定的时间”,是指分析结构可靠度时考虑各项基本变量与时间关系所取用的时间参数,即设计基准期;“规定的条件”是指结构设计时所确定的正常设计、正常施工和正常使用的条件,即不考虑人为过失的影响;“预定功能”是指以下4种功能:(1)能承受在正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用(荷载);(2)在正常使用时,结构及其组成构件具有良好的工作性能;(3)在正常维护下具有足够的耐久性;(4)在发生规定的偶然事件情况下,结构能保持必要的整体稳定性1 1 工程结构可靠度的研究现状 111 在役结构的可靠度评估和维修决策问题 对在役建筑结构的可靠度评估与维修决策已 成为建筑结构学的边缘学科1它不仅涉及结构力学、断裂力学、建筑材料科学、工程地质学等基础理论,而且与施工技术、检测手段和建筑物的 维修使用情况等有着密切的关系[1] 1对已有结构可靠度的评估采用的方法属于“实用分析法”,是在传统经验方法的基础上,结合现代检测手段和计算技术的一种评估方法1目前,对已有结构的可靠度分析方法,是以当时实测的结构材料强度和构件截面尺寸为依据,没有考虑腐蚀环境中 材料性能的变化1如何根据已有结构本身材料性能的实测结果,来推断该结构的抗力随时间的变化而变化的规律,进而计算该结构继续使用期内的可靠度或评估该结构的使用寿命,是已有结构可靠度研究的一项重要内容1 随着使用年限的增长,混凝土的老化问题日益突出1对于耐久性不足或老化的结构,存在一个最佳维修决策的问题1在目前的研究中,有些内容过于理论化,与实际工程问题相差较远1另外,对处于不同环境下建筑物使用寿命的安全性评估问题,在结构设计的工作寿命期如何通过正常使用和必要的维护保证结构应有的可靠度,超过正常使用年限后如何安全地继续服役等都应是可靠度研究的重要方面1 112 腐蚀环境下结构可靠度的分析 对于钢筋混凝土结构,其常见的腐蚀失效模式为:混凝土的碳化作用引起钢筋腐蚀、氯离子侵蚀引起钢筋局部腐蚀、硫酸盐或硫酸溶液对混凝土的腐蚀破坏1对腐蚀环境中混凝土结构的可靠度分析,目前国内外的研究多数集中在氯离子侵蚀环境中钢筋混凝土结构可靠度的变化,对硫酸盐腐蚀地下混凝土结构使混凝土体积膨胀,从而使其瓦解方面的研究还不是很多1在现今的这些研究中,有的并未考虑结构设计参数对混凝土中钢筋腐蚀起始时间和钢筋锈蚀速度的影响,有的虽做了考虑,但并没有考虑二者之间的相关性[2] 1因此,结果不尽合理1 ? 1?收稿日期:2006-06-251 作者简介:刘玉彬(1964-),男,吉林通榆人,大连民族学院土木建筑工程学院教授,博士,学校优秀学科带 头人1研究方向:工程结构广义可靠性理论、工程结构设备理论1 2006年第5期(总第34期)刘玉彬:工程结构可靠度理论的研究现状与展望 9月15日出版