多单元系统,可以被解耦或分割成若干相互关联的单元或小规模系统,并由相同的目标或约束控制,通过共享资源实现特定的功能。惯性约束聚变激光装置、大型风电场和大型石油设备等都属于典型的复杂多单元系统。这样的多单元系统具有单元种类和数量繁多、可靠性要求较高以及全生命周期成本高昂等特点,考虑系统设计和运行维护的可靠性、经济性和维修管理的综合研究愈来愈受到学术和工程领域的广泛关注。本文将典型的多单元系统作为研究对象,针对系统的任务导向、退化、多失效模式、多层级结构和经济依赖等复杂性,基于成本管理、库存管理和维修管理理论,利用LCC建模、METRIC模型和LORA等方法,开发遗传算法和迭代算法等程序,开展可靠性约束下多单元系统成本优化与维修策略的综合研究。核心章节以从2007年建成的神光原型装置到如今正在运行的神光主机装置,以及正在设计阶段的新激光装置的数据作为算例,验证本文算法和模型的可行性。主要研究内容和创新性成果如下:（1）可用度约束下系统LCC建模与库存优化。基于任务可用度的系统设计优化与其经济性密切相关,在关键部件寿命服从威布尔分布的条件下,分别给出多单元系统的设计成本函数、制造成本函数和维修保障成本函数;基于累积失效概率相等原理,给出了系统可用度约束下的生命周期成本优化模型;最后,以一个多单元组成的开关系统为例,验证模型和方法的可行性和有效性。研究发现:组成系统的单元的数量和维修周期是影响系统LCC的关键因素;运行管理中应通过减少故障维修时间以降低系统LCC。（2）退化型多单元系统在可靠性约束下的维修策略优化。单元退化情形下,多单元系统的全生命周期可靠性设计与预防性维修策略的综合优化问题将变得更为复杂。针对单元失效服从威布尔分布的情形,考虑多单元联合的预防性维修模式,构建可靠性约束下多单元系统全生命周期成本优化模型。单元数量众多带来的组合规模指数增长问题将导致非线性择优困难,利用遗传算法编程,快速求解全局最佳解,包括设计阶段的单元可靠性和使用阶段的系统预防性维修周期。最后,通过典型算例分析,验证模型与算法的正确性和有效性,探究维修改善因子、单元可靠性和预防性维修周期等决策变量间的相互关系。研究成果有助于简化系统工程师的可靠性工程设计过程,具有一定的理论和应用价值。（3）可用度约束下多单元系统多级库存与维修级别的优化。对于维修级别和备件库存问题,通常分别使用METRIC方法和维修级别分析（LORA）。由于LORA不考虑备件的是否可用情形,若顺序解决LORA和备件库存问题,将可能导致次优的方案。基于这些考虑,提出了一种联合优化方法,目的是系统可用度约束下最小化维修保障成本。在联合优化模型中引入维修能力因子和多种维修策略,表达了不同故障对维修水平和备件库存的影响。因此,建立LORA和度量模型之间的桥梁关系,采用改进的迭代算法对联合优化模型进行求解,并以一个典型的机群系统为例验证了模型和算法的正确性和有效性。与单独优化的备件库存和维修水平相比,本文的联合优化方案能有效降低维修保障成本。（4）多失效模式下多单元系统两级保障成本建模与策略优化。考虑多失效模式可使多单元系统维修保障的备件库存配置策略研究更贴合工程实际。由此,首先从影响多单元任务系统执行结果的角度,通过一种失效分类方法,构建可用度约束下两级保障成本模型;然而,多失效模式会引发备件库存配置组合呈指数增长,导致非线性择优困难,通过开发一种快速的迭代—贪婪启发式算法加以解决。最后,通过实际工程算例分析,验证模型与算法的正确性和有效性;分别探究不同级别维修点的备件库存水平、维修时间及失效模式对保障策略的影响,并给出保障能力大幅提升的建议。研究成果有助于提升多单元系统的运行效率,具有一定的理论和应用价值。上述从经济依赖角度,针对多单元系统复杂性,得到的可靠性约束下多单元系统成本优化与维修策略研究成果,将有助于简化系统工程师的可靠性工程设计优化过程,对于系统研发和运行的整体经济性的改进将是有益和必要的;也有助于丰富系统工程技术领域的研究范围和管理手段,为其他复杂系统的经济性研究提供借鉴。