[发明专利]一种基于特征的航天多阶段任务系统可靠性建模方法

说明书

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，包括(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，定义阶段任务状态和系统任务状态；(2)提出一种航天多阶段任务系统可靠性建模方法，采用多态事件树(MSET)方法建立系统任务可靠性模型，采用马尔科夫链(MC)方法建立阶段任务可靠性模型；(3)计算阶段任务末期状态占有概率(SOP)矩阵，确定阶段任务状态概率；(4)建立阶段状态转移模型，确定阶段转移概率；(5)计算系统任务状态概率。本发明方法能够准确描述航天多阶段任务系统任务可靠性特征，使得建立的任务可靠性模型更加准确。

技术领域

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。

发明内容