可靠性、测试性、维修性、安全性(简称“四性”或RTMS)是复杂工业产品安全高效使用的核心质量属性。在航空领域,航空器的高度复杂技术功能系统及其特殊的安全性能要求尤其需要高指标的“四性”综合性能。我国现代军民用航空器研发过程中,系统功能设计与四性体系指标的精细量化与评估仍存在诸多不相适应的矛盾方面,这制约了型号工程的高品质技术发展。“四性一体化”的设计理念,强调四性综合化模型及评估技术与系统功能设计的有机融合及高效信息反馈,这需要深度解决好四性综合化高效率建模技术、复杂系统不确定性、动态时序等精细描述与精细算法技术。Petri网作为一种通用的系统建模工具,对复杂系统动态运行具有出色的描述能力,符合四性一体化模型的构造需求。本文旨在提出一整套适用于航空器系统四性一体化建模的Petri网模型及精细量化分析方法,以利于提升复杂工程系统四性综合化信息技术水平及其工程应用能力。主要研究工作摘要如下:1)总结了“四性”基本定义和主要指标,分析了贝叶斯网络和马尔科夫链两种精确计算方法在系统概率计算中的应用,为四性一体化建模与精细量化方法的提出及其验证提供理论基础。2)提出了将元件故障分为“物理性故障”和“非物理性故障”两种形式,基于此划分提出了“功能丧失”状态,作为传统正常和故障状态的补充;通过“功能丧失”状态发展了一种将系统功能原理图直接转化为三态故障空间模型的方法(简称“三态建模方法”)。在此方法基础上,通过为三态故障空间模型添加四性基础信息,提出了基于系统功能原理图的四性一体化建模框架。3)从纵向性、故障模式复杂性、时序性和逻辑复杂性等方面总结分析了航空器系统故障传播的特点。在总结Petri网图形表达方式的基础上,提出了适用于描述航空器系统故障传播过程的动态随机有色Petri网;并在四性一体化建模框架指导下,结合航空器系统四性基础信息构造了四性一体化动态随机有色Petri网模型。该模型具有表达多态不确定性、动态逻辑的能力,比传统模型更能真实全面直观描述系统状态的变化过程。4)鉴于精确算法将随着系统规模增大导致组合爆炸的问题,在总结蒙特卡洛仿真原理基础上,结合变迁点火规则发展了适用于四性一体化动态随机有色Petri网数值仿真的“故障传播仿真算法”,并推广得到“故障传播仿真算法2”和“可达性算法”。基于该三个算法得到的仿真样本,提出了统计样本获得四性指标的计算方法,从而构成了一套完整的用于四性一体化动态随机有色Petri网模型四性分析的方法。5)先后利用简单、复杂纵向电传飞行控制系统验证了四性一体化动态随机有色Petri网模型及其仿真方法的正确性、在大型复杂工程系统中应用的可实施性;提出了四性一体化动态随机有色Petri网及其四性基础数据的计算机存储方案;研究了四性一体化模型求解方法在计算机中的实现逻辑;完成了四性一体化建模与评价软件RTMS_Petri的设计与验证。6)鉴于重要度概念在工程系统四性评定工作中的重要技术价值,基于“故障传播仿真算法”,研究了用于计算静态二态系统各单元结构重要度、概率重要度和关键重要度的仿真方法,作为四性分析方法的补充。本文运用多个实例对提出的建模和仿真方法进行了分析验证,结果表明本文建模方法可有效集成四性基础信息,建立起能更精细反映系统运行情况的四性一体化动态随机有色Petri网,此外提出的仿真方法可正确计算系统四性中的关键指标,支持在设计阶段高效完成四性评估工作的任务,有力促进了复杂工程系统四性与功能协同设计的技术发展。