一种基于动态特性的飞行器任务可靠性建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于动态特性的飞行器任务可靠性建模方法，属于系统可靠性技 术领域。
【背景技术】
[0002] 目前各国在竞相研制具有多次重复使用、长期在轨停留、轨道空间机动以及在轨 任务执行等多种用途的飞行器。该类型飞行器结构功能复杂，任务阶段众多，经历多种任务 环境，任务可靠性受到上述因素的综合影响。因此，在飞行器研制和关键任务规划过程中， 需要预先开展任务可靠性的分析和评估工作。建立能够全面反映飞行器任务过程特性的可 靠性评估模型，是开展飞行器任务可靠性分析评估的基础。
[0003]目前，航天型号任务可靠性模型建立主要应用可靠性框图（RBD)模型等方法，通 过构建系统任务可靠性框图模型，表征系统任务过程特征，作为开展系统可靠性分配预计、 分析评估的基础。应用可靠性框图方法构建系统任务可靠性模型存在以下不足：
[0004] (1)可靠性框图模型不能准确表达系统不同任务阶段特征
[0005] 复杂航天系统任务通常由多个任务阶段组成，每个任务阶段系统组成及功能各不 相同，导致系统不同任务阶段具有不同的任务特征，例如系统组成单元之间的故障相关关 系、系统组成单元的冗余备份等动态特性，以及系统任务阶段的多状态特性；
[0006] (2)可靠性框图模型不能准确描述系统动态任务过程
[0007] 可靠性框图模型任务系统各组成单元同时工作，是一种静态描述系统工作状态的 方法，无法准确描述系统实际工作过程中的动态特性；
[0008] (3)可靠性框图模型不能准确反映系统产品多故障模式对系统任务可靠性的影响
[0009] 可靠性框图模型中系统各组成单元仅有故障和工作两种状态，实际工作中许多产 品存在功能性能下降等降级状态，因此系统可靠性框图模型不能真实反映系统各组成单元 多故障模式对系统任务可靠性的影响。
[0010] 综上，根据可靠性框图模型建立的系统可靠性任务可靠性模型，存在不能准确表 征系统任务特征的不足，需要提出能够准确描述复杂系统任务可靠性动态特征的可靠性建 模方法。
【发明内容】
[0011] 本发明所解决的问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于动态特性的飞行 器任务可靠性建模方法，能够更加准确的描述飞行器复杂任务过程中的动态特性，综合反 映飞行器任务过程中不同任务阶段飞行器系统组成动态变化对飞行器任务可靠性的影响， 使得建立的任务可靠性模型更加准确。
[0012] 本发明的技术解决方案是：一种基于动态特性的飞行器任务可靠性建模方法，步 骤如下：
[0013] (1)进行飞行器系统分析和任务分析，将飞行器任务划分为发射上升、空间运行和 返回着陆三个阶段，明确完成各阶段任务中涉及的飞行器分系统以及各分系统完成任务的 成功准则，建立飞行器任务后果状态集；
[0014] (2)根据步骤（1)建立的飞行器任务后果状态集，将发射上升阶段作为初始任务， 空间运行和返回着陆作为中间任务，利用事件树方法，构建飞行器任务过程可靠性基准模 型；
[0015] (3)根据飞行器完成各阶段任务涉及的分系统的特点，对于有备份冗余单元参与 的初始或中间任务过程，选择DFT方法建立可靠性特征模型；对于系统组成单元之间存在 失效相关及多状态影响的任务过程，选择BN建立可靠性特征模型；对于可细分为多个子任 务阶段、并且任务状态存在转换的任务过程，选择Markov方法建立可靠性特征模型；
[0016] (4)将步骤（2)中构建的飞行器任务过程可靠性基准模型中具有相同后果状态的 事件链进行合并，确定不同任务后果状态对应的可靠性模型；将步骤（3)建立的可靠性特 征模型加入新的可靠性模型中，得到飞行器任务可靠性综合模型。
[0017] 所述的任务后果状态包括任务成功、任务降级和任务失败；三个任务阶段均成功， 整个任务成功；发射上升阶段任务失败，整个任务失败；"空间运行"阶段任务失败，整个任 务降级；"返回着陆"阶段任务失败，整个任务失败。
[0018] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0019] 基于动态特性的飞行器任务可靠性建模方法是针对复杂航天系统多阶段、多任务 过程进行可靠性建模的一种有效方法，能够满足导弹武器、飞行器以及卫星等型号不同产 品层次的任务可靠性建模需求，具备良好的推广应用前景。
[0020] (1)本发明采用以飞行器任务可靠性ET模型为基准，综合不同任务阶段可靠性模 型，构建飞行器任务可靠性综合模型，作为开展飞行器任务可靠性评估的基础，与可靠性框 图（RBD)模型等传统方法相比，能够更加准确表达系统不同任务阶段特征，描述系统动态 任务过程以及反映系统产品多故障模式对系统任务可靠性的影响。
[0021] (2)本发明解决了传统故障树在进行建模时，对于失效时序的表达存在困难的问 题当中间事件相关系统存在冗余备份关系时，失效次序对系统可靠性有着显著影响，采用 动态故障树进行故障建模，能够准确表达存在的失效时序。
[0022] (3)本发明方法通过可靠性综合建模和评估数据信息综合分析，克服了传统理论 分析在处理多态性、相关性和不确定性时面临的困难，在获得任务可靠性定量分析结果的 同时，给出任务可靠性薄弱环节和重要度排序结果，支持系统进行针对性的设计改进和任 务方案优化权衡。
【附图说明】
[0023]图1为本发明基于动态特性的飞行器任务可靠性建模方法示意图；
[0024] 图2为本发明飞行器任务过程可靠性基准模型；
[0025] 图3为本发明飞行器中间任务可靠性特征模型：动态故障树DFT;
[0026] 图4为本发明飞行器中间任务可靠性特征模型：马尔科夫链MC;
[0027] 图5为本发明飞行器中间任务可靠性特征模型：贝叶斯网络BN;
[0028] 图6为本发明飞行器相同任务后果状态事件链合并；
[0029] 图7为本发明飞行器不同任务后果状态可靠性模型；
[0030]图8为本发明飞行器任务可靠性综合模型。
【具体实施方式】
[0031] 本发明提出的一种基于动态特性的飞行器任务可靠性建模方法，下面结合附图， 以飞行器为例对本发明作进一步详细描述，如图1所示步骤如下：
[0032] 步骤（一）、进行飞行器系统分析和任务分析，建立飞行器任务后果状态集
[0033] 飞行器由结构系统、机构系统、测控系统、推进系统、热控系统以及GNC系统等分 系统组成，其功能为执行空间运行任务。
[0034] 飞行器任务要求是执行完规定任务后安全返回地面，其任务剖面分为三个阶段： 发射上升、空间运行及返回着陆。其成功准则为：三个任务阶段均成功，整个任务成功；"发 射上升"阶段任务失败，整个任务失败；"空间运行"阶段任务失败，整个任务降级；"返回着 陆"阶段任务失败，整个任务失败。
[0035] 其后果状态集为{:任务成功，任务降级，任务失败}，任务后果状态之间的转换关 系为若"发射上升"阶段任务失败，任务后果状态由成功转为失败；若"空间运行"阶段任务 失败，任务后果状态由成功转为降级；若"返回着陆"阶段任务失败，任务后果有由成功转为 失败。
[0036] 步骤（二）、选择事件树（ET)方法，构建飞行器任务过程可靠性基准模型
[0037] 飞行器任务过程是顺序发生的，根据第（一）步骤得到的结果，确定其初始任务 为：发射上升，中间任务为：空间运行和返回着陆；应用ET方法构建飞行器任务过程可靠性 基准模型，如图2所示。
[0038] 步骤（三）、分析飞行器初始/中间任务可靠性特征，构建初始/中间任务可靠性 特征模型
[0039]根据飞行器任务过程初始/中间任务特征，可选择动态故障树（DFT)、贝叶斯网络 (BN)、马尔科夫（Markov)等方法，建立初始/中间任务可靠性特征模型。
[0040] 对于完成初始/中间任务（如：发射上升）涉及组成单元之间存在失效相关及多 状态影响的，选择BN建立可靠性特征模型。如图5所示，贝叶斯网络能够方便的表达变量 之间的相互关系，能够根据变量的边缘概率分布和条件概率分布，结合链式规则和条件独 立假设，在网络的输入节点和输出节点状态之间进行概率推理，从而实现可靠