一种基于特征的航天多阶段任务系统可靠性建模方法与流程

本发明涉及一种基于特征的航天多阶段任务系统可靠性建模方法，属于系统可靠性技术领域。

背景技术：

随着科学技术的进步和应用需求的提升，复杂工程系统(如载人飞船、空间站、重复使用飞行器等)大量采用高新技术或高能材料(如复合材料、核材料)，工作在高危环境(如空间环境、再入大气环境)，需要实现各种复杂功能，可靠性工作面临新的要求，可靠性建模面临新的挑战。

对于单一任务阶段系统或单机产品，可靠性建模一般采用传统可靠性框图(RBD)方法，描述各组成单元之间的可靠性特征和逻辑关系。当前以载人飞船为代表的复杂工程系统，其任务过程由多个任务阶段组成，各个阶段系统任务成功准则和状态不同，可靠性特征和逻辑关系更为复杂，可靠性建模需要考虑的实际情况更多。

多阶段任务系统(Phased-Mission System，PMS)是指由多个时间连续、互不覆盖的任务阶段组成，具有多种任务后果状态的复杂系统。在每个任务阶段，系统需要完成不同的任务目标，面临不同的环境条件和可靠性要求。因此，每个任务阶段系统结构、成功准则、可靠性要求和单元失效行为各有不同。

航天多阶段任务系统(Astronautically Phased-Mission System，APMS)是指系统结构和功能复杂、具有高可靠性要求、任务过程不易进行维修保障的航天领域多阶段任务系统。

APMS结构功能更为复杂，系统内部软硬件集成关系不断增强，系统结构组成和状态不断变化，系统可靠性建模面临诸多挑战，需要考虑阶段任务多态特征、系统任务多状态特征、单元跨阶段复用特征描述问题。

(1)阶段任务多态特征描述。APMS设计中广泛采用冗余备份措施提高可靠性。在某些阶段任务中，工作单元数量必须满足一定要求，系统才能正常工作。依据阶段任务成功准则，冗余备份单元可转化为正常工作单元和失效单元，冗余备份单元数量和系统结构状态随之改变，系统阶段任务存在多态特征。传统事件树(ET)方法认为阶段任务仅存在发生和不发生两种情况，对应阶段任务成功和不成功两种状态，具有一定局限性，需要采用合适方法进行阶段任务多态特征描述。

(2)系统任务多态特征描述。系统任务包含多个阶段任务，某些阶段任务存在多态特征，依据系统任务成功准则，阶段任务状态组合将导致系统出现任务成功和任务失败之外的其他系统任务状态，系统任务具有多态特征。传统RBD建模方法将系统不同阶段任务可靠性模型进行串联，不能表达阶段任务状态组合导致系统任务多态特征，不能满足系统可靠性建模需求。

(3)单元跨阶段复用特征描述。系统任务包含多个阶段任务，某些工作单元在多个阶段任务中重复使用，并且在不同阶段任务中功能、工作状态和失效概率各不相同，系统存在单元跨阶段复用问题，下一阶段任务系统状态、可靠性模型、可靠度均会受到上一阶段任务复用单元影响。因此单元跨阶段复用是系统可靠性关键特征，需要采用合理的方法进行建模描述。

综上，传统RBD和ET方法，不能准确描述APMS阶段任务多态性特征和系统任务多态特征，不能解决单元跨阶段复用等问题，模型精确程度不高。这些问题导致APMS可靠性模型偏离实际情况，可能造成不合理的分析评估结果，需要在研究APMS结构、功能、任务剖面及单元工作状态因素基础上，准确描述系统可靠性特征，建立系统可靠性模型，为合理准确的可靠性分析评估奠定基础。

技术实现要素：

本发明所解决的问题是:克服现有方法不足，提供了一种基于特征的航天多阶段任务系统可靠性建模方法，能够更加准确的描述航天多阶段任务系统阶段任务和系统任务多态特征，同时解决单元跨阶段复用问题，使得建立的系统任务可靠性模型更加准确。

本发明的技术解决方案是：一种基于特征的航天多阶段任务系统可靠性建模方法，步骤如下：

(1)对航天多阶段任务系统任务剖面进行分析，确定系统可靠性特征，确定系统可靠性特征，定义阶段任务状态和系统任务状态；

所述系统可靠性特征包括阶段任务多态特征、系统任务多态特征、单元跨阶段复用特征；所述阶段任务多态特征指系统阶段任务具有的成功、失败或降级状态特征；所述系统任务多态特征指系统任务具有的成功、失败及降级状态特征；所述单元跨阶段复用特征指系统工作单元在阶段任务之间重复使用的特征；

所述阶段任务状态指阶段任务成功、失败或降级状态；

所述系统任务状态指阶段任务状态组合导致的系统任务成功、失败或降级状态；

(2)根据步骤(1)系统任务状态定义，利用多态事件树(MSET)方法建立航天多阶段任务系统任务可靠性模型；根据步骤(1)阶段任务状态定义，采用马尔科夫链(MC)方法建立阶段任务可靠性模型；

(3)利用步骤(2)建立的阶段任务可靠性模型，计算得到阶段任务初始状态占有概率(SOP)矩阵；根据工作单元失效率和修复率数据得到状态转移概率矩阵，将该矩阵与初始SOP矩阵相乘得到阶段任务末期SOP矩阵，确定阶段任务状态概率；

(4)定义阶段状态转移模型，根据步骤(2)建立的系统任务可靠性模型，得到阶段状态转移概率(PSTOP)矩阵，将该矩阵与阶段任务末期SOP矩阵相乘，得到阶段转移概率；

(5)利用步骤(3)和步骤(4)得到的阶段任务状态概率和阶段转移概率相乘，得到任务链发生概率，将具有相同系统状态的任务链发生概率相加，得到系统任务状态概率。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明考虑APMS阶段任务多态、系统任务多态和单元跨阶段复用特征，是进行APMS可靠性建模的一种有效方法，能够满足载人飞船、空间站、重复使用飞行器、卫星、运载火箭可靠性建模工作需求，具备良好的推广应用前景。

(2)本发明采用MSET方法建立系统任务可靠性模型，采用MC方法建立阶段任务可靠性模型，综合形成APMS任务可靠性模型。本发明提出的可靠性建模方法解决了传统建模方法多态特征描述能力不足的问题，模型能够准确表达阶段任务和系统任务多态特征。

(3)本发明采用MC方法计算得到阶段任务末期SOP矩阵，采用阶段状态转移模型计算得到阶段转移概率，最终得到系统任务状态概率。本发明提出的系统任务状态概率计算方法将跨阶段复用单元对系统可靠性影响进行了传递和量化处理，克服了传统方法基于阶段任务独立假定的系统状态概率计算缺陷，计算得到的系统状态概率更接近真实水平。

附图说明

图1为航天多阶段任务系统任务可靠性建模过程示意图；

图2为载人飞船任务剖面示意图；

图3为载人飞船任务可靠性模型示意图；

图4为载人飞船发射上升(I)阶段可靠性模型示意图；

图5为载人飞船空间运行(P1)阶段可靠性模型示意图；

图6为载人飞船返回着陆(P2)阶段可靠性模型示意图；

图7为载人飞船空间运行(P1)阶段到着陆返回(P2)阶段PTM示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于特征的航天多阶段任务系统可靠性建模方法，下面结合附图，以载人飞船为例对本发明作进一步详细描述，如图1所示步骤如下：

步骤(一)、分析载人飞船任务剖面，确定可靠性特征，定义阶段任务状态和系统任务状态

1.载人飞船任务剖面分析

载人飞船任务剖面分为三个阶段：发射上升(I)阶段(任务时间t_I)、空间运行(P1)阶段(任务时间t₁)及返回着陆(P2)阶段(任务时间t₂)，I阶段为初始任务，P1和P2阶段为阶段任务，如图2所示。

2.载人飞船可靠性特征分析

某两单元并联冗余模块为载人飞船关键部件，在载人飞船任务剖面三个阶段均参与任务。定义(x，y)表示载人飞船阶段任务状态，其中x表示正常工作并联冗余模块数量，y表示失效并联冗余模块数量。两单元并联冗余模块状态组合决定了载人飞船阶段任务状态，阶段任务状态组合决定了载人飞船系统任务状态。因此，载人飞船具有阶段任务多态特征、系统任务多态特征和单元跨阶段复用特征。

3.载人飞船阶段任务状态定义

(1)I阶段，两单元并联冗余模块处于加电不工作状态，载人飞船状态由运载火箭发射状态决定，包括发射成功(S_I1)和发射失败(S_I2)两种状态；

(2)P1阶段，两单元并联冗余模块全部正常工作，载人飞船处于正常运行状态；两单元并联冗余模块一个正常工作，一个失效，载人飞船处于降级运行状态；两单元并联冗余模块全部失效，载人飞船失效。P1阶段载人飞船状态包括正常运行(S_P11)(两单元并联冗余模块均正常工作，载人飞船阶段任务状态(2，0))、降级运行(两单元并联冗余模块一个失效(S_P12)，载人飞船阶段任务状态(1，1))和失效(S_P13)(两单元并联冗余模块均失效，载人飞船阶段任务状态(0，2))。

(3)P2阶段，两单元并联冗余模块全部正常工作，载人飞船处于着陆成功状态；两单元并联冗余模块一个正常工作一个失效，载人飞船处于降级着陆状态；两单元并联冗余模块全部失效，载人飞船处于着陆失败状态。

P2阶段载人飞船状态包括成功着陆(S_P21)(两单元并联冗余模块全部正常工作，载人飞船阶段任务状态(2，0))，降级着陆(S_P22)(两单元并联冗余模块一个工作一个失效，载人飞船阶段任务状态(1，1))，着陆失败(S_P23)(两单元并联冗余模块全部失效，载人飞船阶段任务状态(0，2))。同时，着陆成功前提是P1阶段两并联冗余模块未全部失效，如果P1阶段两单元并联冗余模块全部失效，则模块不可修复，载人飞船处于着陆失败状态。载人飞船阶段任务状态定义如表1所示。

表1载人飞船阶段任务状态定义

4.载人飞船系统任务状态定义

载人飞船任务成功准则为：三个阶段任务均成功，载人飞船任务成功；I阶段发射失败，载人飞船任务失败；P1阶段正常运行，P2阶段降级着陆，载人飞船任务降级；P1阶段降级运行，P2阶段着陆成功，载人飞船任务降级；P1阶段降级运行，P2阶段降级着陆，载人飞船任务降级；P1阶段载人飞船失效，两单元并联冗余模块均失效且不可修复，载人飞船任务失败；P2阶段着陆失败，载人飞船任务失败。

根据上述准则，载人飞船系统任务状态为{任务成功，任务降级，任务失败}。

步骤(二)、采用MSET方法建立载人飞船系统任务可靠性模型，采用MC方法建立阶段任务可靠性模型

(1)根据步骤(一)载人飞船系统任务状态定义，采用MSET方法建立载人飞船系统任务可靠性模型。

①依据任务剖面阶段划分确定系统任务可靠性模型初始任务及阶段任务；

②依据初始任务及阶段任务状态定义确定系统可靠性模型任务链；

③依据系统任务状态定义确定系统可靠性模型任务状态。

通过上述步骤建立的可靠性模型如图3所示。

(2)根据步骤(一)载人飞船阶段任务状态定义，采用MC方法建立阶段任务可靠性模型。

①I阶段，载人飞船加电不工作，仅有发射成功(S_I1)和发射失败(S_I2)两种状态，并且两种状态之间不能相互转换，采用MC方法建立的I阶段任务可靠性模型如图4所示；

②P1阶段，载人飞船有正常运行、降级运行和失效三种状态，正常运行和降级运行状态之间可以相互转换，采用MC方法建立的P1阶段任务可靠性模型如图5所示；

③P2阶段，载人飞船有成功着陆、降级着陆和着陆失败三种状态，成功着陆和降级着陆状态之间可以相互转换，采用MC方法建立的P2阶段任务可靠性模型如图6所示。

步骤(三)、采用MC方法计算P1阶段末期状态占有概率(SOP)矩阵

定义λ_I为两单元并联冗余模块加电不工作失效率，λ为两单元并联冗余模块加电工作失效率，μ为两单元并联冗余模块修复率。

(1)I阶段，两单元并联冗余模块加电不工作，载人飞船具有两个状态，{发射成功，发射失败}，载人飞船初始SOP矩阵为π^I(0)＝[1,0]。I阶段结束时，发射成功状态S_I1概率为R_I＝exp(-λ_It_I)，发射失败状态S_I2概率为1-R_I，载人飞船SOP矩阵为π^I(t_I)＝[R_I,1-R_I]，载人飞船以概率R_I转向P1阶段。

(2)P1阶段，两单元并联冗余模块开始工作，载人飞船具有{正常运行，降级运行，失效}三个状态，初始SOP矩阵π^P1(0)＝[1，0，0]。根据两单元并联冗余模块失效率和修复率定义，P1阶段载人飞船状态转移概率矩阵为

P1阶段末期载人飞船SOP矩阵为

π^P1(t₁)＝π^P1(0)·T₁＝[(1-λ)²,2λ(1-λ),λ²]

步骤(四)、建立阶段状态转移模型，计算阶段转移概率

(1)建立P1到P2阶段状态转移模型

由于P2阶段载人飞船状态与P1阶段结束时载人飞船状态有关，定义阶段状态转移模型，描述P1阶段与P2阶段之间的阶段状态转移关系，如图7所示。根据载人飞船系统任务可靠性模型，P1到P2阶段状态转移模型对应的阶段状态转移概率(PSTOP)矩阵如下：

(2)计算P1到P2阶段转移概率P_P1,P2

定义P_P1,P2为P1到P2阶段转移概率，通过下式计算

其中e_p1是以P1阶段载人飞船任务状态数目为维数、元素都为1的列向量。

步骤(五)、采用MC方法计算P2阶段末期SOP矩阵

(1)获取P2阶段初始SOP矩阵

P2阶段初始SOP矩阵为：

(2)获取P2阶段载人飞船状态转移概率矩阵

由于P2阶段与P1阶段载人飞船状态转移关系相同，因此P2阶段载人飞船状态转移概率矩阵为

(3)获取P2阶段末期SOP矩阵

P2阶段末期SOP矩阵π^P2(t₂)＝π^P2(0)·T₂

步骤(六)、计算载人飞船系统任务状态概率

(1)计算任务链发生概率

任务链由初始任务、阶段任务状态组合而成，发生概率由阶段任务状态概率和阶段转移概率相乘得到，如任务链1发生概率P(S_I1S_P11S_P21)由下式进行计算

其中，和分别表示载人飞船在P1阶段处于S_P11和P2阶段处于S_P21状态概率，分别由P1阶段和P2阶段SOP矩阵得到。

其他任务链发生概率计算方法同P(S_I1S_P11S_P21)。

(2)计算载人飞船系统任务状态概率

将具有相同任务状态的任务链发生概率相加，即可得到载人飞船任务状态概率。因此，载人飞船任务成功、任务降级、任务失败状态概率P(ES1)、P(ES2)、P(ES3)分别为

P(ES1)＝P(S_I1S_P11S_P21)

P(ES2)＝P(S_I1S_P11S_P22)+P(S_I1S_P12S_P21)+P(S_I1S_P12S_P22)

P(ES3)＝P(S_I2)+P(S_I1S_P12S_P23)+P(S_I1S_P13)

综上所述，本发明一种基于特征的APMS可靠性建模方法，能够准确描述APM阶段任务多态和系统任务多态特征，同时解决单元跨阶段复用问题，使得建立的任务可靠性模型更加准确。本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。