一種基于動態(tài)特性的飛行器任務可靠性建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于動態(tài)特性的飛行器任務可靠性建模方法，屬于系統(tǒng)可靠性技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前各國在競相研制具有多次重復使用、長期在軌停留、軌道空間機動以及在軌 任務執(zhí)行等多種用途的飛行器。該類型飛行器結(jié)構(gòu)功能復雜，任務階段眾多，經(jīng)歷多種任務 環(huán)境，任務可靠性受到上述因素的綜合影響。因此，在飛行器研制和關(guān)鍵任務規(guī)劃過程中， 需要預先開展任務可靠性的分析和評估工作。建立能夠全面反映飛行器任務過程特性的可 靠性評估模型，是開展飛行器任務可靠性分析評估的基礎。
[0003]目前，航天型號任務可靠性模型建立主要應用可靠性框圖（RBD)模型等方法，通 過構(gòu)建系統(tǒng)任務可靠性框圖模型，表征系統(tǒng)任務過程特征，作為開展系統(tǒng)可靠性分配預計、 分析評估的基礎。應用可靠性框圖方法構(gòu)建系統(tǒng)任務可靠性模型存在以下不足：
[0004] (1)可靠性框圖模型不能準確表達系統(tǒng)不同任務階段特征
[0005] 復雜航天系統(tǒng)任務通常由多個任務階段組成，每個任務階段系統(tǒng)組成及功能各不 相同，導致系統(tǒng)不同任務階段具有不同的任務特征，例如系統(tǒng)組成單元之間的故障相關(guān)關(guān) 系、系統(tǒng)組成單元的冗余備份等動態(tài)特性，以及系統(tǒng)任務階段的多狀態(tài)特性；
[0006] (2)可靠性框圖模型不能準確描述系統(tǒng)動態(tài)任務過程
[0007] 可靠性框圖模型任務系統(tǒng)各組成單元同時工作，是一種靜態(tài)描述系統(tǒng)工作狀態(tài)的 方法，無法準確描述系統(tǒng)實際工作過程中的動態(tài)特性；
[0008] (3)可靠性框圖模型不能準確反映系統(tǒng)產(chǎn)品多故障模式對系統(tǒng)任務可靠性的影響
[0009] 可靠性框圖模型中系統(tǒng)各組成單元僅有故障和工作兩種狀態(tài)，實際工作中許多產(chǎn) 品存在功能性能下降等降級狀態(tài)，因此系統(tǒng)可靠性框圖模型不能真實反映系統(tǒng)各組成單元 多故障模式對系統(tǒng)任務可靠性的影響。
[0010] 綜上，根據(jù)可靠性框圖模型建立的系統(tǒng)可靠性任務可靠性模型，存在不能準確表 征系統(tǒng)任務特征的不足，需要提出能夠準確描述復雜系統(tǒng)任務可靠性動態(tài)特征的可靠性建 模方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明所解決的問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于動態(tài)特性的飛行 器任務可靠性建模方法，能夠更加準確的描述飛行器復雜任務過程中的動態(tài)特性，綜合反 映飛行器任務過程中不同任務階段飛行器系統(tǒng)組成動態(tài)變化對飛行器任務可靠性的影響， 使得建立的任務可靠性模型更加準確。
[0012] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于動態(tài)特性的飛行器任務可靠性建模方法，步 驟如下：
[0013] (1)進行飛行器系統(tǒng)分析和任務分析，將飛行器任務劃分為發(fā)射上升、空間運行和 返回著陸三個階段，明確完成各階段任務中涉及的飛行器分系統(tǒng)以及各分系統(tǒng)完成任務的 成功準則，建立飛行器任務后果狀態(tài)集；
[0014] (2)根據(jù)步驟（1)建立的飛行器任務后果狀態(tài)集，將發(fā)射上升階段作為初始任務， 空間運行和返回著陸作為中間任務，利用事件樹方法，構(gòu)建飛行器任務過程可靠性基準模 型；
[0015] (3)根據(jù)飛行器完成各階段任務涉及的分系統(tǒng)的特點，對于有備份冗余單元參與 的初始或中間任務過程，選擇DFT方法建立可靠性特征模型；對于系統(tǒng)組成單元之間存在 失效相關(guān)及多狀態(tài)影響的任務過程，選擇BN建立可靠性特征模型；對于可細分為多個子任 務階段、并且任務狀態(tài)存在轉(zhuǎn)換的任務過程，選擇Markov方法建立可靠性特征模型；
[0016] (4)將步驟（2)中構(gòu)建的飛行器任務過程可靠性基準模型中具有相同后果狀態(tài)的 事件鏈進行合并，確定不同任務后果狀態(tài)對應的可靠性模型；將步驟（3)建立的可靠性特 征模型加入新的可靠性模型中，得到飛行器任務可靠性綜合模型。
[0017] 所述的任務后果狀態(tài)包括任務成功、任務降級和任務失??；三個任務階段均成功， 整個任務成功；發(fā)射上升階段任務失敗，整個任務失敗；"空間運行"階段任務失敗，整個任 務降級；"返回著陸"階段任務失敗，整個任務失敗。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0019] 基于動態(tài)特性的飛行器任務可靠性建模方法是針對復雜航天系統(tǒng)多階段、多任務 過程進行可靠性建模的一種有效方法，能夠滿足導彈武器、飛行器以及衛(wèi)星等型號不同產(chǎn) 品層次的任務可靠性建模需求，具備良好的推廣應用前景。
[0020] (1)本發(fā)明采用以飛行器任務可靠性ET模型為基準，綜合不同任務階段可靠性模 型，構(gòu)建飛行器任務可靠性綜合模型，作為開展飛行器任務可靠性評估的基礎，與可靠性框 圖（RBD)模型等傳統(tǒng)方法相比，能夠更加準確表達系統(tǒng)不同任務階段特征，描述系統(tǒng)動態(tài) 任務過程以及反映系統(tǒng)產(chǎn)品多故障模式對系統(tǒng)任務可靠性的影響。
[0021] (2)本發(fā)明解決了傳統(tǒng)故障樹在進行建模時，對于失效時序的表達存在困難的問 題當中間事件相關(guān)系統(tǒng)存在冗余備份關(guān)系時，失效次序?qū)ο到y(tǒng)可靠性有著顯著影響，采用 動態(tài)故障樹進行故障建模，能夠準確表達存在的失效時序。
[0022] (3)本發(fā)明方法通過可靠性綜合建模和評估數(shù)據(jù)信息綜合分析，克服了傳統(tǒng)理論 分析在處理多態(tài)性、相關(guān)性和不確定性時面臨的困難，在獲得任務可靠性定量分析結(jié)果的 同時，給出任務可靠性薄弱環(huán)節(jié)和重要度排序結(jié)果，支持系統(tǒng)進行針對性的設計改進和任 務方案優(yōu)化權(quán)衡。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明基于動態(tài)特性的飛行器任務可靠性建模方法示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明飛行器任務過程可靠性基準模型；
[0025] 圖3為本發(fā)明飛行器中間任務可靠性特征模型：動態(tài)故障樹DFT;
[0026] 圖4為本發(fā)明飛行器中間任務可靠性特征模型：馬爾科夫鏈MC;
[0027] 圖5為本發(fā)明飛行器中間任務可靠性特征模型：貝葉斯網(wǎng)絡BN;
[0028] 圖6為本發(fā)明飛行器相同任務后果狀態(tài)事件鏈合并；
[0029] 圖7為本發(fā)明飛行器不同任務后果狀態(tài)可靠性模型；
[0030]圖8為本發(fā)明飛行器任務可靠性綜合模型。
【具體實施方式】
[0031] 本發(fā)明提出的一種基于動態(tài)特性的飛行器任務可靠性建模方法，下面結(jié)合附圖， 以飛行器為例對本發(fā)明作進一步詳細描述，如圖1所示步驟如下：
[0032] 步驟（一）、進行飛行器系統(tǒng)分析和任務分析，建立飛行器任務后果狀態(tài)集
[0033] 飛行器由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、機構(gòu)系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)以及GNC系統(tǒng)等分 系統(tǒng)組成，其功能為執(zhí)行空間運行任務。
[0034] 飛行器任務要求是執(zhí)行完規(guī)定任務后安全返回地面，其任務剖面分為三個階段： 發(fā)射上升、空間運行及返回著陸。其成功準則為：三個任務階段均成功，整個任務成功；"發(fā) 射上升"階段任務失敗，整個任務失??；"空間運行"階段任務失敗，整個任務降級；"返回著 陸"階段任務失敗，整個任務失敗。
[0035] 其后果狀態(tài)集為{:任務成功，任務降級，任務失敗}，任務后果狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān) 系為若"發(fā)射上升"階段任務失敗，任務后果狀態(tài)由成功轉(zhuǎn)為失?。蝗?空間運行"階段任務 失敗，任務后果狀態(tài)由成功轉(zhuǎn)為降級；若"返回著陸"階段任務失敗，任務后果有由成功轉(zhuǎn)為 失敗。
[0036] 步驟（二）、選擇事件樹（ET)方法，構(gòu)建飛行器任務過程可靠性基準模型
[0037] 飛行器任務過程是順序發(fā)生的，根據(jù)第（一）步驟得到的結(jié)果，確定其初始任務 為：發(fā)射上升，中間任務為：空間運行和返回著陸；應用ET方法構(gòu)建飛行器任務過程可靠性 基準模型，如圖2所示。
[0038] 步驟（三）、分析飛行器初始/中間任務可靠性特征，構(gòu)建初始/中間任務可靠性 特征模型
[0039]根據(jù)飛行器任務過程初始/中間任務特征，可選擇動態(tài)故障樹（DFT)、貝葉斯網(wǎng)絡 (BN)、馬爾科夫（Markov)等方法，建立初始/中間任務可靠性特征模型。
[0040] 對于完成初始/中間任務（如：發(fā)射上升）涉及組成單元之間存在失效相關(guān)及多 狀態(tài)影響的，選擇BN建立可靠性特征模型。如圖5所示，貝葉斯網(wǎng)絡能夠方便的表達變量 之間的相互關(guān)系，能夠根據(jù)變量的邊緣概率分布和條件概率分布，結(jié)合鏈式規(guī)則和條件獨 立假設，在網(wǎng)絡的輸入節(jié)點和輸出節(jié)點狀態(tài)之間進行概率推理，從而實現(xiàn)可靠