现代大型复杂系统,如当前已有或在建的惯性约束聚变激光装置、大型核电机组和大型输送设备等,具有结构和状态复杂、任务要求多样、使用可用性高和成本高昂等特点。作为科学技术高度发展的体现和国家综合实力的重要标志,大型复杂系统在设计和使用阶段的可用性和经济性的综合研究受到了学术和工程领域的广泛关注,属于质量管理与可靠性工程理论研究的热点问题。本文以大型激光装置等大型复杂系统为研究对象,考虑系统多层冗余结构,遵循由常规二态到多状态的研究思路,重点针对多态情形下系统可用性研究中面临的问题,开展面向不同任务要求的复杂k/n(G)系统的可用性建模与优化研究。主要研究内容和创新性成果如下:首先,针对大型激光装置片放系统的任务可用性评价问题,构建了考虑运维时限的多层k/n(G)系统任务可用度模型。该模型通过“累积失效次数相等原则”,打破了已有任务可用性研究中系统或组成单元运行时间服从指数分布的假设,克服了现有模型在部件失效时间服从威布尔分布情形下的计算困难,能评价时间约束下系统组成单元具有多种故障模式的系统执行任意发次任务的可用度。算例分析给出了满足系统任务可用度设计要求的片放模块冗余结构,关键组成单元不同故障模式下的可靠性设计指标下限和维修时间上限。结论可为我国大型激光装置可用性分析及关键组成单元的可靠性管理提供有益建议,为具有时间约束的复杂系统可用性评价与改进研究提供借鉴。其次,针对双层性能要求情形下大型复杂系统的可用度评价与优化问题,提出了双层多态加权k/n(G)系统可用度建模方法与冗余分配模型。新的可用度建模方法通过双层联合运算符与通用生成函数的结合,拓宽了目前仅适用于单一性能要求情形的系统可用性模型。在此基础上,以可用度为约束条件,系统总成本为目标函数,建立了的解决系统设计阶段“子系统和部件选择问题”的冗余分配模型。与已有模型仅优化底层部件不同,所提模型可综合优化部件和子系统的类型和数量。某供电系统的算例验证了模型及方法的正确性和有效性,并揭示了单一性能要求和双层性能要求对系统可用度和优化成本的影响。再次,针对分层性能要求情形下大型复杂系统的可用度评价与优化问题,提出了更通用和高效的多层多态加权k/n(G)系统可用性建模方法和冗余分配模型。新的分层联合运算符结合通用生成函数的可用性建模方法的适用范围更广,既适用于单一性能要求,又适用于非独立多层性能要求。另外,提出了改进的递归算法,解决了通用生成函数方法中系统单元数量和状态增加带来的状态空间指数爆炸问题,得到了系统的可用度边界。基于此,以系统总成本为目标函数,在可用度约束下构建了解决系统设计中“多层部件的综合选择问题”的冗余分配模型,利用遗传算法得到了完整的部件类型和数量配置。某装置能源系统的算例对比分析了两种可用性建模方法,即通用生成函数方法和递归算法的计算结果和运算效率,并验证了所提模型及方法的通用性和灵活性。最后,针对随机性能要求情形下复杂系统的可用性评价与优化问题,开发了具有随机权重阈值的多态k/n(G)系统可用度建模方法及可靠度分配模型。新的随机联合运算符结合通用生成函数的可用度建模方法及改进的递归算法,放宽了已有研究中性能要求固定不变的假设条件,并引入了部件数量要求,能解决多态情形下k/n(G)系统数量要素和权重要素不能彼此映射的问题,实现随机性能要求和数量要求的联合筛选以评价系统可用度。在此基础上,为解决多态部件可靠性和性能的优化问题,分别提出了可用度和成本约束下的系统可靠度分配模型。相比仅考虑性能要求的系统优化模型,所提优化模型的工程适用性更强,某海上运输系统算例对比分析了两种可用度建模方法的运算效率和适用范围,并阐述了数量要求对系统可用度和优化结果的影响。上述研究考虑复杂系统多层结构和多态特性,解决了不同任务要求情形下复杂k/n(G)系统可用性和经济性的评价与优化问题,丰富了复杂多态系统可用性建模方法和优化方法,进一步拓展了多状态可靠性理论体系,具有一定的理论创新。相关研究成果用于指导国内大科学装置可用性评价与优化工作,取得了一定成效。对于其它复杂系统的质量与可靠性工程设计、分析与优化具有一定的推广和应用价值。