最新刊期

    2025年第1卷第1期
    本期电子书

      Topical Review

    • 可靠性工程中的任务中止策略综述 AI导读

      In the field of reliability engineering, this article presents a systematic review of mission abort policy (MAP) research, classifying and reflecting on recent intensive research on mathematical modeling, analysis, and optimization of diverse types of MAPs for both single-attempt and multi-attempt mission systems. It outlines potential directions for advancing the state of the art and the state of practice on MAPs, which plays a crucial role in managing the risk of system losses while ensuring a desired level of mission success probability for critical systems.
      Liudong Xing, Gregory Levitin
      2025, 1(1): 5-16. DOI: 10.1088/3050-2454/ada36b
      摘要:在可靠性工程领域,任务中止策略(Mission Abort Policy,MAP)是一项关键技术,它通过制定清晰、明确的准则,精准界定系统在出现退化状态时,终止主要任务(Primary Mission,PM)并启动救援程序(Rescue Procedure,RP)的条件,以此保障执行任务的关键系统的生存。任务中止时机的选择对系统性能影响重大,过晚中止任务,系统生存概率(System Survivability,SS)会显著降低;而过早中止,又可能降低任务成功概率(Mission Success Probability,MSP)。因此,设计最优的 MAP,在 MSP 与 SS 之间实现平衡,对于有效管理系统损失风险、确保关键系统达到预期 MSP 水平至关重要。本文对可靠性工程中MAP的研究进行了系统全面的回顾,分类梳理并深入剖析了近年来针对单次尝试和多次尝试任务系统中各类 MAP 的数学建模、分析及优化的研究成果。同时,文章还前瞻性地探讨了推动 MAP 前沿研究和实践应用发展的潜在方向。  
      关键词:预期任务损失;任务中止策略;任务成功概率;多次尝试;随机冲击;救援程序;系统存活概率   
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      更新时间:2025-08-22
    • 加速试验建模和数据分析方法综述 AI导读

      Reporting on the latest advancements in equipment reliability technology, accelerated testing (AT) has emerged as a pivotal research area. Experts have established the AT technical system, which offers solutions to address the challenges of achieving high reliability and extended service life in critical equipment and major projects. This development paves the way for future research directions in modeling and analysis techniques related to ATs.
      Yashun Wang, Xun Chen, Shufeng Zhang, Zhengwei Fan, Jingwen Hu, Chen Yang
      2025, 1(1): 17-29. DOI: 10.1088/3050-2454/adb84e
      摘要:高可靠性与长寿命已成为装备研发的发展目标和迫切需求,特别是重要装备与重大工程对传统可靠性技术提出了新挑战。作为支撑装备高可靠长寿命的有效手段,加速试验(Accelerated Testing,AT)技术已成为研究热点。本文在分析AT应用需求的基础上,提出AT技术体系,并从以下四个方面对加速试验建模与分析方法的研究现状进行评述与分析:单一失效模式的加速寿命试验(Accelerated Life Test,ALT)建模与分析;单一失效模式的加速退化试验(Accelerated Degradation Test,ADT)建模与分析;多失效模式ALT建模与分析;多失效模式ADT建模与分析。最后,对AT建模与分析技术的未来研究方向进行了展望。  
      关键词:加速试验;建模分析;加速寿命试验;加速退化试验;可靠性   
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      更新时间:2025-08-22

      Perspective

    • 可靠性科学犹如需要坚实砖块构筑的大厦 AI导读

      In the field of reliability and risk, this paper continues the theoretical research project initiated by the Russian school. It describes the decreasing reliability of the system using Boltzmann-like entropy, revealing various trends based on the system's structure and behavior. The paper also discusses the bathtub curve, which shapes the features typical of infancy, maturity, and senility of systems, and adds annotations on the actual states of engineering and biological systems.
      Paolo Rocchi
      2025, 1(1): 30-40. DOI: 10.1088/3050-2454/adbaf5
      摘要:一门科学学科的建立并非依赖于哲学性和泛泛而谈的评论,而更类似于一座由坚实砖块——即精确的原理和数学定律——构成的大厦。可靠性与风险问题体现了一门新兴科学,其理论基础由俄罗斯学派奠定,而本研究旨在延续这一理论研究计划。在此,我们将探讨亟待开展的广泛课题。更准确地说,本文通过类玻尔兹曼熵来描述系统的可靠性递减现象,该熵值根据系统结构和行为的不同而呈现多种变化趋势。系统的早期、成熟与老化阶段共同构成了典型的“浴盆曲线”。此外,文章还就当前工程系统与生物系统的实际状态进行了简要评述。  
      关键词:系统可逆性和不可逆性;系统退化;类玻尔兹曼熵;威布尔分布;冈珀茨分布;浴盆曲线   
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      更新时间:2025-08-22
    • 安全性提升的可靠性分析与风险评估研究进展 AI导读

      In the field of reliability science and engineering, this paper presents innovative methods for analyzing, assessing, and managing reliability and risk to enhance safety. Expert researchers have established a framework for accident scenario identification and exploration, exploited monitoring data for dynamic updating of reliability and risk assessment, and extended the risk assessment framework to resilience, laying a foundation for the construction of a more robust safety system.
      Enrico Zio
      2025, 1(1): 165-180. DOI: 10.1088/3050-2454/adbc65
      摘要:可靠性科学与工程是保障系统与产品安全运行的基础。事实上,故障风险的评估与管理过程往往极其复杂。必须设想并假定可能的失效模式与事故场景,并在存在甚至极大不确定性的情况下,对其发生概率与后果进行评估。这些评估结果可为预防故障与不良事件提供决策依据,并在其发生时帮助缓解与恢复所造成的影响。另一方面,面对当今社会在可靠性、效率、安全性、可持续性等方面日益严峻的发展目标,为提升人类福祉而不断推进的各类技术创新,也在加深人们对新型未知风险与危险的不确定性认知。因此,必须开发更具创新性的分析、评估与管理方法,以实现更高水平的系统安全保障。本文探讨了可靠性与风险领域的发展方向,包括:基于仿真的事故场景识别与演化分析,利用监测数据实现可靠性与风险评估的动态更新,推动向基于状态监测的风险评估转变,以及将传统风险评估方法拓展至系统韧性分析框架。  
      关键词:可靠性科学与工程;风险评估与管理;仿真;基于条件的风险评估;弹性   
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      更新时间:2025-08-22

      Papers

    • Industry 5.0 (I5.0) is anticipated to enhance the role and application of Artificial Intelligence (AI). This work provides an overview of issues to be addressed for AI to support the development of reliability and maintenance engineering for I5.0. Three use cases of AI development opportunities are discussed, which align with the EU vision of AI enhancements for I5.0: integrating diverse data, combining expert knowledge with AI, and causality-based AI. These use cases demonstrate the potential for advanced AI solutions in I5.0 and highlight the need for multidisciplinarity, experience, and continuous training to seize opportunities and manage AI-related risks.
      Michele Compare, Enrico Zio
      2025, 1(1): 41-49. DOI: 10.1088/3050-2454/ad9f63
      摘要:工业5.0(5.0)范式有望进一步提升人工智能(AI)在工业领域的影响力与应用深度。然而,由于当前技术、科学背景及行业趋势的诸多限制,AI的实际贡献仍面临严峻挑战。本研究旨在系统阐述AI在助力I5.0可靠性与维护工程过程中所亟待解决的关键问题。基于欧盟关于I5.0中AI增强的愿景,讨论了三项核心的AI发展机会:多源跨尺度数据整合、专家知识与AI技术的深度融合,基于因果关系的AI建模。研究表明,I5.0中具备部署先进且成功的AI解决方案的广阔空间。同时,研究揭示了要识别、预防并减轻AI开发带来的潜在风险,则需聚焦三大关键要素:多学科协同、经验积累与持续培训。  
      关键词:人工智能;工业5.0;维护   
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      更新时间:2025-08-22
    • 不确定性传播的自适应人工神经网络 AI导读

      In the field of uncertainty propagation, this study introduces its research progress. Expert proposed a novel adaptive UP method based on the artificial neural network (ANN), which provides solutions to solve the problem of accurate and efficient UP in engineering applications.
      Yan Shi, Lizhi Niu, Michael Beer
      2025, 1(1): 50-79. DOI: 10.1088/3050-2454/ada036
      摘要:不确定性传播(Uncertainty Propagation,UP)是评估输入不确定性对结构响应影响的关键环节,在工程应用中具有重大意义。然而,对于具有高度非线性和多输出特征的结构体系,如何实现精确高效的不确定性传播分析仍具挑战性。本研究提出了一种基于人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)的新型自适应UP方法以应对这一挑战。在该方法中,通过解析推导方式利用ANN直接获取输出响应的均值,该计算过程仅需调用网络的权重和偏置向量。针对输出标准差的计算问题,本研究创新性地采用多个一元积分替代多元积分进行求解。所建立的解析法与一元积分技术有效缓解了ANN框架下传统数值模拟方法在输出统计矩估计中常见的后处理误差问题。此外,本研究还提出了包含输入空间划分和可调节多点添加策略的自适应框架,以提升结构UP问题的计算精度。通过高度非线性问题、多输出系统及有限元模型等多个应用案例验证了所提方法的有效性。结果表明,该方法不仅能准确估计统计矩,还可有效获取结构输出响应的概率密度函数。  
      关键词:不确定性传播;人工神经网络;分析结果;单变量积分;自适应框架   
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      更新时间:2025-08-22
    • 基于近似贝叶斯求积与主动机器学习的模型参数概率校准 AI导读

      In the field of reliability engineering, Bayesian model updating (BMU) is a crucial challenge. Expert researchers have developed a family of new acquisition functions with closed-form expressions to accelerate the approximate Bayesian quadrature for addressing the BMU problem with the desired level of accuracy. This provides a better trade-off between exploration and exploitation, achieving high accuracy and efficiency.
      Pengfei Wei, Masaru Kitahara, Matthias G R Faes, Michael Beer
      2025, 1(1): 80-101. DOI: 10.1088/3050-2454/ad9f62
      摘要:在可靠性工程中,如何利用实验数据校准计算模型以实现高精度预测,是当前亟待解决的关键问题。贝叶斯模型更新(BMU)作为新兴方法框架,为解决此类问题提供了重要途径。现有BMU方法可分为三类:1)低计算成本但近似程度较高的方法(如拉普拉斯近似、共轭先验);2)近似程度低但计算代价高昂的方法(如近似贝叶斯计算);3)信息完整但复杂度极高的全贝叶斯方法。针对上述方法在计算效率与精度间的权衡难题,本研究提出一种基于主动学习的近似贝叶斯积分方法,旨在以接近全贝叶斯方法的精度显著降低计算成本。本文创新性体现在三方面:首先,通过高斯过程模型对似然函数平方根进行高效近似,并结合贝叶斯积分框架构建参数后验分布解析解,避免了传统采样方法的高昂计算成本;其次,提出基于后验方差贡献(GPVC)的新型采集函数,该函数利用概率回归模型的预测均值与协方差信息,动态平衡参数空间全局探索与局部开发能力;最后,通过数值与工程案例验证,所提方法在多模态后验密度估计中展现出显著优势,同时保持与全贝叶斯方法相当的校准精度。研究结果为高维复杂系统的可靠性模型校准提供了兼具高效性与鲁棒性的解决方案。  
      关键词:贝叶斯模型更新;近似贝叶斯积分;高斯过程回归;采集函数;主动机器学习   
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      更新时间:2025-08-22
    • 利用量子可靠性表征量子传感的系统误差 AI导读

      Quantum sensing technology, leveraging quantum effects like entanglement and coherence, measures physical signals. This study introduces quantum reliability as a metric to assess sensor performance without needing a true value. It establishes a relationship among reliability, sensitivity, and systematic error, demonstrating it in a magnetic field measurement process using a spin-1/2 particle and Stern-Gerlach apparatus. This research opens new perspectives for reliability analysis in quantum systems.
      崔廉相, 杜亦牧, 孙昌璞
      2025, 1(1): 102-112. DOI: 10.1088/3050-2454/ada8ac
      摘要:量子传感利用量子纠缠和量子相干性等量子效应来测量物理信号。传感过程的性能通常通过误差来表征,并需要与真值进行比较。然而,在实际操作中,这样的真值可能无法获取。这项研究工作利用量子可靠性作为一种度量标准,仅基于设备本身来评估量子传感器的性能,而无需预先知道真值。这项工作的关键是揭示了可靠性、灵敏度和系统误差之间的一般关系,并通过一个典型的量子传感过程来验证这一关系。具体而言,是利用带电自旋-1/2粒子来测量磁场(作为信号),并使用斯特恩-盖拉赫装置来读取信号信息。研究结果展示了量子可靠性在量子传感中的应用,为量子系统中的可靠性分析开辟了新的视角。  
      关键词:量子可靠性理论;可靠性分析;误差分析;量子传感器可靠性;测量仪器可靠性   
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      更新时间:2025-08-22
    • 太阳能地砖系统在竞争风险下的可靠性优化设计 AI导读

      In the field of building-integrated photovoltaics, solar pavement has emerged as an innovative form of technology. Expert xx proposed a Genetic Algorithm with Munkres Assignment Tuning to determine the Pareto optimality of the reconfiguration design and enhance the systems reliability through minor adjustments, laying a foundation for the construction of solar pavement systems.
      Jingzhe Lei, Min Xie, Way Kuo
      2025, 1(1): 129-144. DOI: 10.1088/3050-2454/adbaf6
      摘要:太阳能路面作为一种创新的建筑一体化光伏形式,近年来备受关注。然而,针对其可靠性分析及基于可靠性的优化设计研究仍较为匮乏。本研究首次在竞争风险环境下,探讨太阳能地砖最优重构设计问题,提出了一种结合遗传算法与Munkres分配调整的混合优化框架(GAMA)。该框架通过两阶段策略实现目标:首先利用遗传算法确定重构设计的帕累托最优解集,权衡系统可靠性与迁移成本;随后引入Munkres算法对行列分配进行精细化调整,在保持可靠性的前提下进一步降低运维成本。研究通过全交叉连接(TCT)拓扑的太阳能地砖系统案例验证了方法的有效性,为复杂环境下光伏路面的长效运维提供了创新解决方案。  
      关键词:太阳能地砖系统;可靠性优化设计;竞争性风险;遗传算法;Munkres分配;光伏路面   
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      更新时间:2025-08-22
    • In the field of lunar habitation base deployment and operations, this paper introduces a synergistic approach for optimizing reliability-redundancy, spares inventory, and spacecraft trajectory in the cislunar space. Expert xx established the redundancy-sparing-trajectory allocation model, which provides solutions to solve the complex and costly Earth-Moon logistics problems and lays a foundation for the construction of a long-term human habitat on the Moon.
      Tongdan Jin, Ahsanul Abedin
      2025, 1(1): 113-128. DOI: 10.1088/3050-2454/adbaf8
      摘要:地月系统复杂的物流体系与高昂的成本投入,亟需建立创新的可靠性范式以支持月球居住基地的部署与运行。为此,本文提出一种协同优化方法,通过整合可靠性-冗余设计、备件库存与航天器轨道规划,为这一新范式奠定基础。我们开发了一个两阶段规划模型来指导月球长期人居基地的建设:第一阶段通过子系统冗余配置与基准库存设定,以最低质量成本达成可靠性与可用性目标;第二阶段优化航天器燃料类型、推进剂质量及转移轨道,使包含第一阶段居住舱与备件的总发射质量最小化。该模型创新性地综合考虑了随机备件需求、长周期补给间隔及有限转移轨道等约束条件,成为首个实现冗余设计、备件策略、火箭分级与飞行路线协同优化的研究。在地月节点网络(含9个节点与23次速度变更)中验证的"冗余-备件-轨道"分配模型表明:发射质量、库存补给周期、转移轨道、速度增量与比冲之间存在显著耦合关系。本研究首次将空间物流理论融入可靠性维护规划,为部署经济可靠的深空载人基地开辟了新的研究方向。  
      关键词:可靠性-冗余分配;备件;空间物流;火箭分期;生命支持系统   
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      更新时间:2025-08-22
    • 可靠性分析与设计优化中可能性与证据理论的研究与应用 AI导读

      In the field of engineering system design, this paper comprehensively analyzes the existing methodologies, challenges, and opportunities in managing uncertainty. Expert xx reviewed the concepts and practical applications of possibility and evidence theories, laying a foundation for the construction of a more robust engineering system.
      Hong-Zhong Huang, He Li, Yan Shi, Tudi Huang, Zaili Yang, Liping He, Yu Liu, Chao Jiang, Yan-Feng Li, Michael Beer, Jin Wang
      2025, 1(1): 145-164. DOI: 10.1088/3050-2454/adbaf7
      摘要:在工程系统设计领域,为应对偶然性和认知性不确定性,目前已发展出多种设计优化方法与可靠性分析技术。偶然性不确定性可通过统计分布进行建模,而对于数据稀缺且无法完全统计描述的工况,认知性不确定性则成为替代分析对象。可能性理论与证据理论因其计算高效性和鲁棒性,成为可靠性分析与设计优化中量化认知性不确定性的有效工具。本文系统梳理了工程系统不确定性管理领域的现有方法、技术挑战与发展机遇,并对可能性理论与证据理论的核心概念及工程应用进行了全面述评。最后,本文指出了该领域未来潜在的研究方向,为学术界和工程界提供了关于这两种理论发展现状的清晰认知框架。  
      关键词:可能性理论;证据理论;不确定性;可靠性;设计优化   
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      更新时间:2025-08-22
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