一種基于風(fēng)險的多階段任務(wù)航天器可靠性改進(jìn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于風(fēng)險的多階段任務(wù)航天器可靠性改進(jìn)方法，包括(1)根據(jù)飛行任務(wù)過程及成功判據(jù)，確定關(guān)鍵任務(wù)階段、任務(wù)后果狀態(tài)，以及任務(wù)后果狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；(2)分析關(guān)鍵任務(wù)階段風(fēng)險特性，應(yīng)用故障樹、動態(tài)故障樹以及貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法，建立風(fēng)險特性模型，收集相關(guān)數(shù)據(jù)確定關(guān)鍵任務(wù)失敗發(fā)生概率及主要風(fēng)險因素；(3)建立航天器任務(wù)過程事件樹模型，求解模型得到不同任務(wù)后果狀態(tài)概率，結(jié)合主要風(fēng)險因素，制定可靠性改進(jìn)措施。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)多階段任務(wù)航天器常規(guī)失效、冗余備份失效及相關(guān)失效建模分析，得到任務(wù)后果狀態(tài)概率和主要風(fēng)險因素，可為航天器可靠性改進(jìn)提供技術(shù)支撐。
【專利說明】-種基于風(fēng)險的多階段任務(wù)航天器可靠性改進(jìn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于風(fēng)險的多階段任務(wù)航天器可靠性改進(jìn)方法，特別是針對結(jié)構(gòu) 復(fù)雜、任務(wù)階段眾多、具有多種風(fēng)險特性的航天器可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 航天器結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性，任務(wù)過程的多階段性，導(dǎo)致航天器飛行試驗(yàn)過程存 在諸多影響任務(wù)成功的風(fēng)險因素，需要在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行風(fēng)險識別和量化評價，根據(jù)風(fēng)險量 化分析結(jié)果采取針對性的設(shè)計(jì)改進(jìn)，以提高飛行器的任務(wù)可靠性。
[0003] 國外針對載人探月飛船、航天飛機(jī)等多階段任務(wù)復(fù)雜航天器開展了風(fēng)險量化評價 技術(shù)研究和應(yīng)用，取得了顯著效果，但對任務(wù)過程不同任務(wù)階段的風(fēng)險特征描述、分析和量 化尚不夠精細(xì)。國內(nèi)傳統(tǒng)針對航天器任務(wù)風(fēng)險的評估工作以定性識別和半定量評價為主， 缺乏有效的量化評估方法，難以有效支持工程風(fēng)險決策，難以有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和 可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)。針對上述問題，迫切需要一種能夠在設(shè)計(jì)初期準(zhǔn)確進(jìn)行任務(wù)風(fēng)險量化評 估，有效識別影響任務(wù)可靠性風(fēng)險因素，從而進(jìn)行航天器可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于風(fēng)險的多階段任 務(wù)航天器可靠性改進(jìn)方法，該方法首次綜合應(yīng)用FT、DFT及BN方法對任務(wù)過程風(fēng)險特性進(jìn) 行了精細(xì)化建模和分析，應(yīng)用ET對任務(wù)風(fēng)險進(jìn)行了量化評價，從而為多階段任務(wù)復(fù)雜航天 器的可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)提供技術(shù)支撐。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于風(fēng)險的多階段任務(wù)航天器可靠性改進(jìn)方法，步驟 如下：
[0006] 1)根據(jù)航天器任務(wù)過程及成功判據(jù)，確定關(guān)鍵任務(wù)階段和任務(wù)后果狀態(tài)；
[0007] 2)確定關(guān)鍵任務(wù)階段工作模式和任務(wù)時間，獲取單機(jī)、分系統(tǒng)存在的風(fēng)險特性，運(yùn) 用應(yīng)用故障樹（FT)、動態(tài)故障樹（DFT)以及貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（BN)方法建立風(fēng)險特性模型；所述 風(fēng)險特性包括常規(guī)失效、冗余備份失效以及相關(guān)失效；
[0008] 3)獲取單機(jī)、分系統(tǒng)風(fēng)險評估數(shù)據(jù)，根據(jù)步驟2)建立的風(fēng)險特性模型進(jìn)行解算， 得到關(guān)鍵任務(wù)失敗概率，確定導(dǎo)致關(guān)鍵任務(wù)失敗的主要風(fēng)險因素；
[0009]4)建立任務(wù)過程事件樹模型；
[0010] 5)根據(jù)步驟3)獲得的關(guān)鍵任務(wù)失敗概率，得到不同任務(wù)后果狀態(tài)概率；
[0011] 6)根據(jù)步驟5)得到的不同任務(wù)后果狀態(tài)概率，以及步驟3)得到的主要風(fēng)險因素， 制定航天器可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。
[0012]所述步驟2)中建立風(fēng)險特性模型的具體方法為：
[0013] 21)若單機(jī)、分系統(tǒng)存在常規(guī)失效，采用FT方法進(jìn)行建模；
[0014] 22)若單機(jī)、分系統(tǒng)存在冗余備份失效，采用DFT方法進(jìn)行建模；
[0015] 23)若單機(jī)、分系統(tǒng)存在相關(guān)失效，采用BN方法進(jìn)行建模；
[0016] 24)若單機(jī)、分系統(tǒng)存在多種風(fēng)險特性，綜合采用FT、DFT及BN方法進(jìn)行建模。
[0017] 步驟24)中綜合采用FT、DFT及BN方法進(jìn)行建模的具體方法為：
[0018] 31)多種風(fēng)險特性僅存在于單機(jī)層次，根據(jù)風(fēng)險特性類型分別建立單機(jī)層次風(fēng)險 特性模型；
[0019] 32)多種風(fēng)險特性僅存在于分系統(tǒng)層次，根據(jù)風(fēng)險特性類型分別建立分系統(tǒng)層次 風(fēng)險特性模型；
[0020] 33)多種風(fēng)險特性同時存在于單機(jī)和分系統(tǒng)層次，首先根據(jù)分系統(tǒng)風(fēng)險特性類型 選擇相應(yīng)方法建立分系統(tǒng)風(fēng)險特性模型，其次針對分系統(tǒng)風(fēng)險特性模型中存在的單機(jī)風(fēng)險 特性類型，在分系統(tǒng)風(fēng)險特性模型框架下，根據(jù)單機(jī)風(fēng)險特性類型選擇相應(yīng)方法建立單機(jī) 風(fēng)險特性模型。
[0021] 所述3)得到關(guān)鍵任務(wù)失敗概率，確定導(dǎo)致關(guān)鍵任務(wù)失敗的主要風(fēng)險因素的具體 方法為：
[0022] 41)獲取底事件發(fā)生概率數(shù)據(jù)信息，計(jì)算獲得FT和DFT頂事件發(fā)生概率和底事件 概率重要度；選取概率重要度數(shù)值最大的兩個底事件作為主要風(fēng)險因素；
[0023] 42)獲取葉節(jié)點(diǎn)狀態(tài)概率數(shù)據(jù)信息，計(jì)算獲得根節(jié)點(diǎn)狀態(tài)概率和葉節(jié)點(diǎn)靈敏度； 選取靈敏度數(shù)值最大的兩個葉節(jié)點(diǎn)作為主要風(fēng)險因素。
[0024] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：
[0025] (1)本發(fā)明采用FT、DFT及BN方法對復(fù)雜航天器關(guān)鍵任務(wù)階段風(fēng)險特性進(jìn)行建模 和分析，能夠準(zhǔn)確描述單機(jī)、分系統(tǒng)存在的常規(guī)失效、冗余備份失效及相關(guān)失效風(fēng)險特性；
[0026](2)本發(fā)明應(yīng)用獲取的風(fēng)險評估數(shù)據(jù)計(jì)算得到關(guān)鍵任務(wù)失敗概率的同時，能夠確 定導(dǎo)致關(guān)鍵任務(wù)失敗的主要風(fēng)險因素，明確單機(jī)、分系統(tǒng)存在的可靠性薄弱環(huán)節(jié)；
[0027] (3)本發(fā)明通過ET對航天器任務(wù)后果狀態(tài)進(jìn)行建模，能夠準(zhǔn)確表征飛行器多階 段任務(wù)特征，同時通過模型解算得到任務(wù)后果狀態(tài)概率，確定航天器任務(wù)過程風(fēng)險薄弱環(huán) 節(jié)；
[0028] (4)本發(fā)明在任務(wù)風(fēng)險量化評估結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合確定的主要風(fēng)險因素和任務(wù)過 程風(fēng)險薄弱環(huán)節(jié)，能夠從任務(wù)過程和系統(tǒng)層次兩個方面為航天器可靠性改進(jìn)提供技術(shù)支 撐。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明可靠性改進(jìn)方法示意圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明FT建模示意圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明DFT建模示意圖；
[0032] 圖4為本發(fā)明BN建模示意圖；
[0033] 圖5為本發(fā)明任務(wù)過程風(fēng)險建模示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合圖1-圖5,以三階段任務(wù)航天器為例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0035] 三階段任務(wù)航天器任務(wù)過程包括攜帶發(fā)射、在軌運(yùn)行及自主返回三個任務(wù)階段。 任務(wù)成功判據(jù)為：三個任務(wù)階段均成功，整個任務(wù)成功；"攜帶發(fā)射"階段任務(wù)失敗，整個任 務(wù)失敗；"在軌運(yùn)行"階段任務(wù)失敗，整個任務(wù)降級；"自主返回"階段任務(wù)失敗，整個任務(wù)有 限成功。
[0036]應(yīng)用本發(fā)明所述基于風(fēng)險的多階段任務(wù)航天器可靠性改進(jìn)方法，如圖1所示，具 體包括如下步驟：
[0037] 步驟（一）、任務(wù)階段劃分
[0038] 關(guān)鍵任務(wù)階段：攜帶發(fā)射、在軌運(yùn)行及自主返回階段均存在影響任務(wù)成功的風(fēng)險 因素，因此上述三個任務(wù)階段均為關(guān)鍵任務(wù)階段；
[0039]任務(wù)過程后果狀態(tài)：任務(wù)成功、任務(wù)降級、任務(wù)有限成功、任務(wù)失??；
[0040]任務(wù)后果狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系：若"攜帶發(fā)射"階段任務(wù)失敗，任務(wù)后果狀態(tài)由成功轉(zhuǎn)為 失敗；若"在軌運(yùn)行"階段任務(wù)失敗，任務(wù)后果狀態(tài)由成功轉(zhuǎn)為降級；若"自主返回"階段任 務(wù)失敗，任務(wù)后果狀態(tài)由成功轉(zhuǎn)為有限成功。
[0041] 步驟（二）、任務(wù)風(fēng)險特性建模
[0042]攜帶發(fā)射階段，航天器各分系統(tǒng)處于不加電狀態(tài)，主要承受來自運(yùn)載的振動、沖擊 載荷，失效模式為常規(guī)失效，應(yīng)用FT方法建立該階段的風(fēng)險特性模型，如圖2所示，圖中符 號含義見表1。
[0043]表1攜帶發(fā)射階段結(jié)構(gòu)系統(tǒng)故障樹模型事件編號及意義[0044]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于風(fēng)險的多階段任務(wù)航天器可靠性改進(jìn)方法，其特征在于步驟如下： 1) 根據(jù)航天器任務(wù)過程及成功判據(jù)，確定關(guān)鍵任務(wù)階段和任務(wù)后果狀態(tài)； 2) 確定關(guān)鍵任務(wù)階段工作模式和任務(wù)時間，獲取單機(jī)、分系統(tǒng)存在的風(fēng)險特性，運(yùn)用 FT、DFT及BN方法建立風(fēng)險特性模型；所述風(fēng)險特性包括常規(guī)失效、冗余備份失效以及相關(guān) 失效； 3) 獲取單機(jī)、分系統(tǒng)風(fēng)險評估數(shù)據(jù)，根據(jù)步驟2)建立的風(fēng)險特性模型進(jìn)行解算，得到 關(guān)鍵任務(wù)失敗概率，確定導(dǎo)致關(guān)鍵任務(wù)失敗的主要風(fēng)險因素； 4) 建立任務(wù)過程事件樹模型； 5) 根據(jù)步驟3)獲得的關(guān)鍵任務(wù)失敗概率，得到不同任務(wù)后果狀態(tài)概率； 6) 根據(jù)步驟5)得到的不同任務(wù)后果狀態(tài)概率，以及步驟3)得到的主要風(fēng)險因素，制定 航天器可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于風(fēng)險的多階段任務(wù)航天器可靠性改進(jìn)方法，其特征 在于：所述步驟2)中建立風(fēng)險特性模型的具體方法為： 21) 若單機(jī)、分系統(tǒng)存在常規(guī)失效，采用FT方法進(jìn)行建模； 22) 若單機(jī)、分系統(tǒng)存在冗余備份失效，采用DFT方法進(jìn)行建模； 23) 若單機(jī)、分系統(tǒng)存在相關(guān)失效，采用BN方法進(jìn)行建模； 24) 若單機(jī)、分系統(tǒng)存在多種風(fēng)險特性，綜合采用FT、DFT及BN方法進(jìn)行建模。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于風(fēng)險的多階段任務(wù)航天器可靠性改進(jìn)方法，其特征 在于：步驟24)中綜合采用FT、DFT及BN方法進(jìn)行建模的具體方法為 ： 31) 多種風(fēng)險特性僅存在于單機(jī)層次，根據(jù)風(fēng)險特性類型分別建立單機(jī)層次風(fēng)險特性 模型； 32) 多種風(fēng)險特性僅存在于分系統(tǒng)層次，根據(jù)風(fēng)險特性類型分別建立分系統(tǒng)層次風(fēng)險 特性模型； 33) 多種風(fēng)險特性同時存在于單機(jī)和分系統(tǒng)層次，首先根據(jù)分系統(tǒng)風(fēng)險特性類型選擇 相應(yīng)方法建立分系統(tǒng)風(fēng)險特性模型，其次針對分系統(tǒng)風(fēng)險特性模型中存在的單機(jī)風(fēng)險特性 類型，在分系統(tǒng)風(fēng)險特性模型框架下，根據(jù)單機(jī)風(fēng)險特性類型選擇相應(yīng)方法建立單機(jī)風(fēng)險 特性模型。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于風(fēng)險的多階段任務(wù)航天器可靠性改進(jìn)方法，其特征 在于：所述3)得到關(guān)鍵任務(wù)失敗概率，確定導(dǎo)致關(guān)鍵任務(wù)失敗的主要風(fēng)險因素的具體方法 為： 41) 獲取底事件發(fā)生概率數(shù)據(jù)信息，計(jì)算獲得FT和DFT頂事件發(fā)生概率和底事件概率 重要度；選取概率重要度數(shù)值最大的兩個底事件作為主要風(fēng)險因素； 42) 獲取葉節(jié)點(diǎn)狀態(tài)概率數(shù)據(jù)信息，計(jì)算獲得根節(jié)點(diǎn)狀態(tài)概率和葉節(jié)點(diǎn)靈敏度；選取 靈敏度數(shù)值最大的兩個葉節(jié)點(diǎn)作為主要風(fēng)險因素。
【文檔編號】G06F17/50GK104317990SQ201410528642
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】吳蕾蕾, 李孝鵬, 陳洪波, 楊勇, 方磊, 曹熙煒, 李福秋, 任立明, 敖楠, 劉春雷, 李永遠(yuǎn), 周曉麗, 彭小波, 王福忠, 朱永貴 申請人:中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院