一种基于航天任务的装备保障特性仿真建模方法与流程

本发明涉及装备保障技术领域，尤其涉及一种基于航天任务的装备保障特性仿真建模方法。

背景技术：

航天装备是完成航天装备试验、鉴定的物质技术基础，通过对航天装备保障特性的研究可以解决航天装备在全寿命周期内的保障问题。

航天任务的复杂性要求航天装备具有多样性和复杂性，且在航天任务的不同阶段，涉及的航天装备以及对航天装备的保障特性要求不同，为了能够更好地对航天装备保障能力进行评估与评价，需要建立航天任务的装备保障特性仿真模型，

但由于航天任务自身标准能力要求高，航天试验任务的历史数据较少的原因，缺少可以适应于航天任务的航天装备保障特性仿真模型。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于航天任务的装备保障特性仿真建模方法，构建能够准确描述航天装备质量特性的航天装备保障特性模型，为航天装备保障特性评价建立基础。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于航天任务的装备保障特性仿真建模方法，包括：

将获取的航天历史任务数据导入数据库，形成历史任务数据库；

对历史任务进行整体任务分解，形成由多个基本任务构成的基本任务序列；以基本任务和涉及装备为索引进行历史任务数据分类，得到基本任务历史数据；

对基本任务历史数据建立基本任务的装备保障特性仿真模型；

按照基本任务序列的任务顺序以及相邻任务的转进概率，根据建立的基本任务装备保障特性仿真模型，建立基于航天任务的装备保障特性仿真模型。

进一步地，所述整体任务分解包括粗分解和细分解；

所述粗分解，根据任务信息数据中的任务阶段信息，将复杂任务划分为时间上首尾衔接、任务上互不重叠的子任务序列；

所述细分解，根据子任务中涉及航天装备的最小功能配置将子任务划分为时间上首尾衔接、任务上互不重叠的基本任务序列。

进一步地，根据航天装备的最小功能配置，基本任务分为由单一任务航天装备完成的单装任务，由某几个相互关联的单一航天装备构成的装备子系统完成的子系统任务，由多个相互关联的装备子系统组成的装备联合系统完成的联合系统任务；

建立的基本任务装备保障特性仿真模型也对应的包括，单装任务装备保障特性仿真模型、子系统任务装备保障特性仿真模型或联合系统任务装备保障特性仿真模型。

进一步地，所述单装保障特性仿真模型包含单装任务的可用度模型和单装任务效能模型；

所述单装任务的可用度模型为

所述单装任务效能模型为me1＝a01[rm1+(1-rm1)m01]+(1-a01)m01；

式中，mtbf1为装备在单装任务中的平均故障间隔时间；mldt1为装备在单装任务中的平均保障延误时间，包括单装的修复性维修间隔、预防维修间隔、后勤与管理的延误时间；rm1为装备在单装任务中的任务可信度；m01为装备在单装任务中的维修度。

进一步地，所述子系统任务装备保障特性仿真模型包含子系统任务的可用度模型和子系统任务效能模型；

所述子系统任务的可用度模型为：

所述子系统任务效能模型为：me2＝a02[rm2+(1-rm2)m02]+(1-a02)m02；

式中，mtbf2是装备子系统在子系统任务中的平均故障间隔时间；mldt2是装备子系统在子系统任务中的平均保障延误时间；rm2为是装备子系统在子系统任务中的任务可靠度；m02为装备子系统在子系统任务中的维修度。

进一步地，所述联合系统任务装备保障特性仿真模型包含联合系统任务的可用度模型和联合系统任务效能模型；

所述联合系统任务的可用度模型为：

所述联合系统任务效能模型为：me3＝a03[rm3+(1-rm3)m03]+(1-a03)m03；

式中，mtbf3是联合系统在联合系统任务中的平均故障间隔时间；mldt3是联合系统在联合系统任务中的平均保障延误时间；rm3为是联合系统在联合系统任务中的任务可靠度；m03为联合系统在联合系统任务中的维修度。

进一步地，所述基于航天任务的装备保障特性仿真模型包括的整体任务的可用度仿真模型为式中，mtbfi为整体任务中包含的第i个基本任务的平均故障间隔时间；mldti为整体任务中包含的第i个基本任务的平均故障延误时间。

进一步地，基于航天任务的装备保障特性仿真模型包括的任务效能仿真通过统计方法实现，包括：

1)设置每个基本任务的任务成功条件，任务效能的仿真次数，并对基本任务序号、仿真计数、任务成功计数、任务失败计数进行初始置零；

2)仿真计数加1，调用序号为1的基本任务，判断基本任务是单装任务、子系统任务或联合系统任务；根据建立的单装任务装备保障特性仿真模型、子系统任务装备保障特性仿真模型或联合系统任务装备保障特性仿真模型；进行基本任务的装备保障特性仿真得到仿真结果；

3)根据设定的任务成功条件，对仿真结果进行判断，如果判断基本任务成功，则进入4)，如果判断基本任务不成功，则任务失败计数器进行一次任务失败计数，停止本次仿真，返回2)；

4)基本任务序号加1，调用下一序号的基本任务，判断下一个基本任务能否顺利开始，能顺利开始，则进入5)；不能顺利开始，则任务失败计数器进行一次任务失败计数，停止本次仿真，返回2)；

5)根据基本任务类型进行保障特性仿真和仿真结果判断，如果判断基本任务成功，则持续按顺序对基本任务进行类型判断、保障特性仿真和仿真结果判断，直至到最后一个基本任务仿真结果为任务成功，则任务成功计数器进行一次任务成功计数，结束本次仿真，返回2)；如果判断基本任务不成功，则任务失败计数器进行一次任务失败计数，停止本次仿真，返回2)；

6)直至仿真计数到设定的仿真次数，停止仿真，统计任务成功计数值与任务失败计数值，进行整体航天任务的任务效能评估。

进一步地，所述基本任务成功条件为，基本任务仿真结果的可用度和任务效能超过可用度和任务效能阈值，并且在基本任务时间内完成的任务量达到任务量阈值。

进一步地，所述下一个基本任务能否顺利开始的条件为，相邻任务的转进概率pi大于顺利开始概率阈值。

本发明有益效果如下：

基于航天任务的装备保障特性仿真建模方法从航天装备高完好性和航天任务高成功性顶层要求出发，以航天任务为驱动，以航天装备为基础，以装备保障为核心，贴近实战模拟执行航天任务的真实场景与环境、真实装备与保障、真实使用条件与维护条件，采用建模与仿真手段事先分析和预判可能发生故障的薄弱环节，能够在任务前发现问题、解决问题，确保高可靠、高完好，切实提升航天发射任务的成功能力，有明显的效益。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中基于航天任务的装备保障特性仿真建模方法流程图；

图2为本发明实施例中整体任务效能仿真流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本实施例公开了一种基于航天任务的装备保障特性仿真建模方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤s1、将获取的航天历史任务数据导入数据库，形成历史任务数据库；

所述历史任务数据包括任务过程数据、航天装备数据和航天装备保障特性数据

具体的历史数据包括：

任务过程数据包括：任务阶段、任务剖面、任务内容、任务时间、任务约束、任务量、任务成功条件以及任务执行中突发事件的处理等信息；

航天装备数据包括：装备基本信息、装备功能数据、装备结构数据、装备相关文档数据和装备技术状态数据；

航天装备保障特性数据包括：航天装备可靠性数据、航天装备维修性数据、航天装备保障性数据等。

其中航天装备可靠性数据包括：航天装备的可靠性设计数据、可靠性建模数据、故障树分析数据、可靠性框图数据、故障模式影响分析数据和事件树分析eta数据、使用过程可靠性数据；

航天装备维修性数据包括：航天装备的维修性设计数据、故障模式影响分析数据、维修任务数据、使用过程维修性数据；

航天装备保障性数据包括：航天装备的保障性设计数据、使用过程保障性数据、保障资源数据、保障任务需求数据；

步骤s2、对历史任务进行整体任务分解，形成由多个基本任务构成的基本任务序列；建立基本任务、装备对应关系，将历史任务数据库的历史数据，以任务内容和涉及装备为索引进行分类，得到基本任务历史数据。

具体的，所述整体任务分解包括粗分解和细分解；

在粗分解过程中，根据任务过程数据中的任务阶段信息，将复杂任务划分为时间上首尾衔接、任务上互不重叠的子任务序列，并确定包括每个子任务的任务起止时间、任务量等任务约束信息和涉及的航天装备数据和航天装备保障特性数据；建立子任务、航天装备对应关系，将历史任务数据库的历史数据，以子任务内容和涉及航天装备为索引进行分类，得到子任务历史数据；

在细分解过程中，根据子任务中涉及航天装备的最小功能配置将子任务划分为时间上首尾衔接、任务上互不重叠的基本任务序列，并从子任务历史数据中抽取基本任务的属性信息；

其中属性信息包括任务约束信息和航天装备数据；

任务约束信息包括任务起止时间、任务量等信息；

航天装备数据为执行基本任务涉及到的航天装备数据以及装备保障特性数据；

通过将基本任务与涉及航天装备对应，建立基本任务、航天装备对应关系，确定任务涉及的航天装备，将子任务历史数据，以基本任务内容和涉及航天装备为索引进行分类，得到基本任务历史数据。

具体的，根据航天装备的最小功能配置，基本任务类型可分为由单一任务航天装备完成的单装任务；或为由某几个相互关联的单一航天装备构成的装备子系统完成的子系统任务；或者为由多个相互关联的装备子系统组成的装备联合系统完成的联合系统任务；

步骤s3、对基本任务历史数据建立基本任务的装备保障特性仿真模型；

由于基本任务包括单装任务、子系统任务或联合系统任务；则建立的基本任务装备保障特性仿真模型也对应的包括，单装任务装备保障特性仿真模型、子系统任务装备保障特性仿真模型或联合系统任务装备保障特性仿真模型。

单装保障特性仿真模型，通过对单装任务进行任务效能分析，根据单装任务历史数据中包括的航天装备数据和航天装备保障特性数据，建立包含单装可用度和任务效能在内的保障特性仿真模型；

单装任务的可用度模型为

单装任务效能模型为me1＝a01[rm1+(1-rm1)m01]+(1-a01)m01；

式中，mtbf1为装备在单装任务中的平均故障间隔时间；

mldt1为装备在单装任务中的平均保障延误时间，例如包括单装的修复性维修间隔、预防维修间隔、后勤与管理的延误时间；

rm1为装备在单装任务中的任务可信度；

m01为装备在单装任务中的维修度。

子系统任务装备保障特性仿真模型，通过对子系统任务进行任务效能分析，根据子系统历史任务数据中涉及的装备子系统中航天装备数据和航天装备保障特性数据，建立包含子系统可用度和任务效能在内的保障特性仿真模型；

其中，子系统任务的可用度模型为：

子系统任务效能模型为：me2＝a02[rm2+(1-rm2)m02]+(1-a02)m02；

式中，mtbf2是装备子系统在子系统任务中的平均故障间隔时间，也即执行该任务的航天装备子系统的可工作时间，

mldt2是装备子系统在子系统任务中的平均保障延误时间，也即执行该任务的航天装备子系统的不可工作时间，例如包括装备子系统的修复性维修间隔、预防维修间隔、后勤与管理的延误时间；

对于子系统的平均故障间隔时间和平均保障延误时间计算，可以参考业内成熟的分析方法，例如mtbf采用duane模型，mldt采用基于现场维修率计算模型。

rm2为是装备子系统在子系统任务中的任务可靠度，是整个装备子系统的任务可靠度；

m02为装备子系统在子系统任务中的维修度，是某装备子系统的维修度。

联合系统任务装备保障特性仿真模型，通过对联合系统任务进行任务效能分析，根据历史任务数据涉及的装备联合系统中航天装备数据和航天装备保障特性数据，建立包含联合系统可用度和任务效能在内的保障特性仿真模型；

其中，联合系统任务的可用度模型为：

联合系统任务效能模型为：me3＝a03[rm3+(1-rm3)m03]+(1-a03)m03；

式中，mtbf3是联合系统在联合系统任务中的平均故障间隔时间，也即执行该任务的某航天装备联合系统的可工作时间；并不是某个装备的可工作时间；

mldt3是联合系统在联合系统任务中的平均保障延误时间，也即执行该任务的某航天装备联合系统的不可工作时间，例如包括联合系统的修复性维修间隔、预防维修间隔、后勤与管理的延误时间；

rm3为是联合系统在联合系统任务中的任务可靠度，是某联合系统的任务可靠度；

m03为联合系统在联合系统任务中的维修度，是某联合系统的维修度。

步骤s4、按照基本任务序列的任务顺序以及相邻任务的转进概率，根据建立的基本任务装备保障特性仿真模型，建立基于航天任务的装备保障特性仿真模型。

将整体航天任务按照步骤s2的方法经过粗分和细分后，分为时间上连续、任务上互不重叠的基本任务序列。序列中的基本任务序号为i，序列中各时间节点ti代表基本任务mi的最迟结束时间点和基本任务mi+1的最晚开始时间，节点之间的时间段ti是对该基本任务时间约束；pi代表相邻任务的转进概率，也即是下一基本任务所需功能系统集合s在该任务开始时刻的可用概率as(ti)。

由于任务的多样性，不同基本任务具有不同任务量wi的单位，如公里数，射击发数。需要将这些任务量转换成广义工作时间ti，进行任务日历时间的单位统一；

具体的，广义工作时间ti＝wi/λ，其中λ为转换系数，根据不同任务类型，在统计资料的基础上确定。如，底盘系统对应的任务量单位为“公里”，其它功能系统同理。

建立整体任务的装备保障特性仿真模型通过可用度仿真模型和任务效能仿真模型进行表征；

其中，整体任务的可用度仿真模型为

式中，mtbfi为整体任务中包含的第i个基本任务的平均故障间隔时间；

mldti为整体任务中包含的第i个基本任务的平均故障延误时间。

整体任务效能仿真通过统计的方法实现，如图2所示，具体的方法包括：

1)初始化设置；包括设置每个基本任务的任务成功条件，任务效能的仿真次数，并对基本任务序号、仿真计数、任务成功计数、任务失败计数进行初始置零；

2)仿真计数加1，调用序号为1的基本任务，判断基本任务是单装任务、子系统任务或联合系统任务；根据建立的单装任务装备保障特性仿真模型、子系统任务装备保障特性仿真模型或联合系统任务装备保障特性仿真模型；进行基本任务的装备保障特性仿真得到仿真结果；

3)根据设定的任务成功条件，对仿真结果进行判断，如果判断基本任务成功，则进入4)，如果判断基本任务不成功，则任务失败计数器进行一次任务失败计数，停止本次仿真，返回2)；

4)基本任务序号加1，调用下一序号的基本任务，判断下一个基本任务能否顺利开始，能顺利开始，则进入5)；不能顺利开始，则任务失败计数器进行一次任务失败计数，停止本次仿真，返回2)；

5)根据基本任务类型进行保障特性仿真和仿真结果判断，如果判断任务成功，则持续按顺序对基本任务进行类型判断、保障特性仿真和仿真结果判断，直至到最后一个基本任务仿真结果为任务成功，则任务成功计数器进行一次任务成功计数，结束本次仿真，返回2)；如果判断基本任务不成功，则任务失败计数器进行一次任务失败计数，停止本次仿真，返回2)；

6)直至仿真计数到设定的仿真次数，停止仿真，统计任务成功计数值与任务失败计数值，进行整体航天任务的任务效能评估。

其中，基本任务的任务成功条件，为基本任务的可用度阈值、任务效能阈值和任务量阈值，当基本任务仿真结果的可用度和任务效能超过可用度和任务效能阈值，并且在基本任务时间内完成的任务量达到任务量阈值。

其中，判断下一个基本任务能否顺利开始的条件为，相邻任务的转进概率pi是否大于顺利开始概率阈值，大于顺利开始概率阈值，则下一个基本任务顺利开始，否则停止本次仿真。

优选的，通过本实施例的方法，还可以对任务分解中粗分解得到子任务，建立装备保障特性仿真模型，用于对整体航天任务的各个任务阶段进行装备保障特性仿真。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。