基于目标的双目标方法，用于设计最优的多层次加速测试计划

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：A goal-based, dual-objective approach for designing optimal multi-level accelerated test plans

　　

Stephen Izon|Mohammad Modarres

美国马里兰大学风险与可靠性研究中心，College Park，MD 20740

摘要

加速测试计划的最优设计对于确保现有测试资源的有效分配至关重要，尤其是在可以在不同装配阶段进行测试的复杂系统中。然而，使用当前方法制定的多级测试计划可能与时程限制不兼容，没有考虑目标可靠性或不确定性目标，并且往往在使用较低成本选项之前就耗尽了可用的预算。为了解决这些限制，本研究提出了一种基于目标的、双目标优化方法，用于识别最优的多级加速测试计划，在最大化预期信息收益和最小化预期成本的同时，限制反映程序化建立的风险姿态的预测系统级可靠性指标。在一个假设的系统上进行了演示，可以确定一组帕累托最优计划，这些计划在满足既定约束的同时，与当前方法相比显著降低了测试成本。所提出的方法还扩展到将测试持续时间纳入决策变量空间，从而缩短了整体测试活动时间，进一步降低了成本。

引言

对于需要长时间运行的复杂、不可修复系统来说，展示其可靠性是一个重要的技术挑战[1],[2]。例如，一个在20年（175,200小时）内具有0.9可靠性要求且置信度为90%的系统，在预期使用条件下需要380万小时的无故障测试[3]，这考虑到典型的开发计划和成本限制是不可行的。然而，通过应用基于风险的目标导向测试（GBT）方法，可以用显著更少的测试次数来证明目标可靠性[4]。

实施此类GBT方法的关键是使用加速测试（AT）。在AT中，测试在高于预期使用条件的应力下进行，以便在较短的时间内引发故障或加速性能退化[5]。然后可以使用概率方法对AT数据进行外推，以估计预期使用条件下的故障时间分布，从而得出可靠性。

对于复杂系统而言，AT计划的最优设计对于确保可用测试资源的有效分配至关重要。当在组件级别进行AT时，所得到的组件级可靠性可以通过系统故障逻辑影响系统级可靠性。虽然可以在比系统级别更高的应力下进行组件级AT，从而缩短测试时间，但仅基于组件级AT的系统级可靠性预测可能无法代表实际系统性能。相反，系统级AT的加速程度是有限的，因为必须限制测试条件以确保不超过组成组件的极限。尽管这种系统级AT的成本较高（例如，由于制造和组装成本更高、更复杂的测试基础设施和运营成本等），但它提供了无法仅通过组件级AT获得的直接系统级可靠性信息。因此，对于复杂系统来说，挑战在于识别最佳组合的FM级、组件级、子组件级和系统级AT（即最优多级AT），以在既定的测试时间限制内高效地实现系统级目标可靠性和不确定性目标。

在本文中，我们提出了一种使用多目标优化来设计最优多级AT计划的方法，以在满足指定的风险姿态约束的同时，最大化预期信息收益和最小化预期成本。与仅追求最大信息收益或降低不确定性的当前方法不同，所提出的方法将重点放在识别能够证明达到指定系统级可靠性阈值的AT计划上，从而减轻整体测试负担。考虑了故障和生存时间数据，并受到最大测试时间限制。使用这种基于目标的、双目标方法制定的多级AT计划与使用其他方法制定的计划相比，可以显著降低测试成本。这种基线方法还扩展到将测试持续时间纳入决策变量空间，从而进一步降低测试成本并缩短总体测试时间。

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章节片段

加速测试

加速测试可以是定性的或定量的。在定性AT中，产品被强制失效以获得故障信息（例如，故障模式）；这种测试不支持在预期操作条件下量化产品寿命或可靠性。另一方面，定量AT（本研究的重点）旨在量化在预期操作条件下的产品寿命或可靠性，包括加速寿命测试（ALT）和加速退化测试

优化模型构建

优化模型的目的是识别在最短测试时间限制内，提供达到目标可靠性和不确定性目标的成本效率最高的多级AT计划。考虑到这一点，必须构建优化问题，以将预测的系统级可靠性的不确定性降低到与开发计划建立的风险姿态一致的水平，同时最小化相关成本。因此，这是一个双目标模型

应用于假设系统

在本节中，基线方法和扩展变体被应用于同一个假设的三组件系统，以展示它们相对于MIG-CC方法所能提供的潜在成本和测试时间减少。首先提供了假设系统的描述、要求和假设，然后展示了每种方法的结果并进行比较。

不同风险姿态的影响

对于假设的系统，可以预先计算出99.5%的真实系统级可靠性，这为找到帕累托最优解提供了合理的预期，目标为${\zeta }_{.05}\left(R_{re}\right)$' role="presentation">${\zeta }_{.05}\left(R_{re}\right)$在20年后，使用基线方法或扩展变体可以达到75%的可靠性。然而，在实践中，真实的系统级可靠性是未知的，因此了解风险姿态约束如何影响帕累托前沿的行为是有用的。

结论

在本文中，我们提出了一种设计多级AT计划的方法，这些计划能够在给定测试时间限制的情况下，高效地实现系统的目标可靠性和不确定性目标。所提出的基于目标的、双目标优化方法在限制反映建立的风险姿态的预测系统级可靠性指标的同时，最大化预期信息收益和最小化预期成本。测试时间限制被纳入考虑，以便

CRediT作者贡献声明

Stephen Izon：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，软件，项目管理，方法论，调查，形式分析，概念化。Mohammad Modarres：撰写 – 审稿与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：作为可靠性工程与系统安全编辑委员会的成员，Mohammad Modarres没有参与本文的同行评审，也无法获取有关其同行评审的信息。本文的编辑过程全部由另一位期刊编辑负责。-M.M. 如果还有其他作者，

致谢

本研究得到了美国国家航空航天局（NASA）放射性同位素动力系统（RPS）计划在RPS行星探索科学技术（PESTO）任务命令80MSFC21F0071下的支持，属于航空航天研究、开发与工程支持（ARDES）II合同80MSFC20D0004。