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基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法

阅读:178发布:2020-05-11

专利汇可以提供基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种基于组合体 航天器 融合性设计的重要度分析方法,包括以下步骤:a.确定组合体航天器系统的设计方案评估系统中各单机产品在系统中的可靠性;b.根据舱段数量确定系统的融合性;c.根据故障程度确立系统的一类故障和二类故障;d.针对系统中不同程度应用融合性设计,对c步骤中识别确立的一类故障和二类故障计算BM,RAW,RRW,F-V四种重要度;e.对一类故障和二类故障采用优序法进行上述四种重要度的排序;f.对上述四种重要度赋予适用于组合体航天器的内涵;g.根据四种重要度的内涵对e步骤的重要度排序分析,通过结果确定最优程度的融合性设计。本发明从重要度的 角 度分析,确定应用于组合体航天器系统的最优程度的融合性设计。,下面是基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法专利的具体信息内容。

1.一种基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法,包括以下步骤:
a.确定组合体航天器系统的设计方案,并且评估所述系统中各单机产品在系统中的可靠性;
b.根据组合体航天器舱段数量,确定组合体航天器系统的融合性;
c.根据故障的危害程度,确立组合体航天器系统的一类故障和二类故障;
d.针对组合体航天器系统中不同程度应用融合性设计,对所述c步骤中识别确立的一类故障和二类故障计算BM,RAW,RRW,F-V四种重要度;
e.对所述一类故障和所述二类故障采用优序法进行BM,RAW,RRW,F-V四种重要度的排序;
f.对BM,RAW,RRW,F-V四种重要度赋予适用于组合体航天器的内涵;
g.根据四种重要度的内涵,对所述e步骤的重要度排序进行分析,通过分析结果确定最优程度的融合性设计。
2.根据权利要求1所述的基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法,其特征在于,在所述a步骤中,评估所述系统中各单机产品在系统中的可靠性,包括以下步骤:
1)定义组合体航天器系统和多个单机产品的失效和完好两种状态;
2)以单机状态为底事件、以系统状态为顶事件的故障树根据系统结构建立;
3)确定单机产品服从单机寿命分布的寿命状态为决定单机状态的因素;
4)将单机寿命状态定义为基本事件,单机寿命分布函数已知,各单机寿命状态相互独立,从而评估单机产品的可靠性。
3.根据权利要求1所述的基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法,其特征在于,在所述b步骤中,组合体航天器的融合性根据组合体航天器的在轨组装舱段数量确定,分为两舱融合和多舱融合。
4.根据权利要求1所述的基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法,其特征在于,所述BM重要度为单机产品可靠性变化引起系统可靠性的变化程度;
所述RAW重要度为单机产品被剔除后系统不可靠性与原来系统不可靠性的比值;
所述RRW重要度为系统不可靠性与单机产品替换为完美单机产品时系统不可靠性的比值;
所述F-V重要度为单机产品能够导致的系统可靠性的最大降低值。
5.根据权利要求4所述的基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法,其特征在于,所述BM重要度的计算公式为:
I(BM)i=Pr(S=1|Ci=1)-Pr(S-1|Ci=0);
所述RAW重要度的计算公式为:
所述RRW重要度的计算公式为:
所述F-V重要度的计算公式为:
其中,S为组合体航天器系统,Ci为单机产品,Pr(Ci=1)为单机产品可靠性;Pr(S=1)为系统可靠性;Pr(S=0)为系统不可靠性;Pr(S=1|Ci=1)为单机产品完好时系统完好的条件概率;Pr(S=0|Ci=1)为单机产品完好时系统失效的条件概率;Pr(S=1|Ci=0)为单机产品失效时系统完好的条件概率;Pr(S=0|Ci=0)为单机产品失效时系统失效的条件概率;其中,Pr(Ci=1)已知,Pr(S=1)和Pr(S=0)之和为1;
并且,
6.根据权利要求1所述的基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法,其特征在于,在所述e步骤中,根据各重要度的指标属性量值对融合性设计方案是否有利,区分出正向指标和反向指标;
所述正向指标在排序时,其属性量值越大,优序号越大;
所述反向指标在排序时,其属性量值越大,优序号越小;
若有S个相同属性量值的指标,则把它们安排在同一个优序号位置上,但其后面空出S-
1个空位置,这些具有相同属性量值的指标的优序数大小计算为:
所在序号数
其它的指标的优序数就是它们的优序号数;
则方案的总优序数为:
式中,N为备选方案个数;l为方案位置的列数;ml为第1列中方案出现的次数。

说明书全文

基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法

技术领域

[0001] 本发明涉及重要度分析领域,尤其涉及一种基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法。

背景技术

[0002] 组合体航天器设计复杂,系统庞大,可靠性要求高。如果各舱段的结构承载、供配电、姿态轨道控制、舱内设备温度控制等核心功能只服务于本舱段,不具备舱段间功能备份,即称为未应用融合性设计的组合体航天器。此种设计应用在组合体航天器时,舱段越多所导致任务失败和功能失效的单点故障越多,组合体航天器基本可靠度随舱段的增加而降
低;同时,由于各舱段任务独立,故组合体航天器任务可靠度也会因为串联环节增加而降
低。因此,在设计初期就应该考虑到融合性设计,将组合体航天器各舱段的功能通过融合性设计形成冗余,将多节点的串联环节变为并联环节降低系统的险。
[0003] 随着载人航天技术的进步,载人航天事业的高度发展使得任务难度越来越高,组合体越来越复杂。故系统的质量与可靠性分析已经成为系统设计、运行及维护阶段必须要
考虑的一项重要工作。组合体航天器系统具有高可靠性、小子样等特性,加大了系统的可靠性建模、分析及优化的难度。现有的重要度分析方法,过程繁琐应用难度大,不适用于组合体航天器融合性设计的评判。融合性设计是组合体航天器特有的设计方法,结合组合体航
天器的自身特性,如何从定性与定量相结合的度分析融合性设计对系统可靠性提升的贡
献。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于解决上述问题,提供一种基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法。
[0005] 为实现上述发明目的,本发明提供一种基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法,包括以下步骤:
[0006] a.确定组合体航天器系统的设计方案,并且评估所述系统中各单机产品在系统中的可靠性;
[0007] b.根据组合体航天器舱段数量,确定组合体航天器系统的融合性;
[0008] c.根据故障的危害程度,确立组合体航天器系统的一类故障和二类故障;
[0009] d.针对组合体航天器系统中不同程度应用融合性设计,对所述c步骤中识别确立的一类故障和二类故障计算BM,RAW,RRW,F-V四种重要度;
[0010] e.对所述一类故障和所述二类故障采用优序法进行BM,RAW,RRW,F-V四种重要度的排序;
[0011] f.对BM,RAW,RRW,F-V四种重要度赋予适用于组合体航天器的内涵;
[0012] g.根据四种重要度的内涵,对所述e步骤的重要度排序进行分析,通过分析结果确定最优程度的融合性设计。
[0013] 根据本发明的一个方面,在所述a步骤中,评估所述系统中各单机产品在系统中的可靠性,包括以下步骤:
[0014] 1)定义组合体航天器系统和多个单机产品的失效和完好两种状态;
[0015] 2)以单机状态为底事件、以系统状态为顶事件的故障树根据系统结构建立;
[0016] 3)确定单机产品服从单机寿命分布的寿命状态为决定单机状态的因素;
[0017] 4)将单机寿命状态定义为基本事件,单机寿命分布函数已知,各单机寿命状态相互独立,从而评估单机产品的可靠性。
[0018] 根据本发明的一个方面,在所述b步骤中,组合体航天器的融合性根据组合体航天器的在轨组装舱段数量确定,分为两舱融合和多舱融合。
[0019] 根据本发明的一个方面,所述BM重要度为单机产品可靠性变化引起系统可靠性的变化程度;
[0020] 所述RAW重要度为单机产品被剔除后系统不可靠性与原来系统不可靠性的比值;
[0021] 所述RRW重要度为系统不可靠性与单机产品替换为完美单机产品时系统不可靠性的比值;
[0022] 所述F-V重要度为单机产品能够导致的系统可靠性的最大降低值。
[0023] 根据本发明的一个方面,所述BM重要度的计算公式为:
[0024] I(BM)i=pr(S=1|Ci=1)-Pr(S=1|Ci=0);
[0025] 所述RAW重要度的计算公式为:
[0026]
[0027] 所述RRW重要度的计算公式为:
[0028]
[0029] 所述F-V重要度的计算公式为:
[0030]
[0031] 其中,S为组合体航天器系统,Ci为单机产品,Pr(Ci=1)为单机产品可靠性;Pr(S=1)为系统可靠性;Pr(S=0)为系统不可靠性;Pr(S=1|Ci=1)为单机产品完好时系统完好的条件概率;Pr(S=0|Ci=1)为单机产品完好时系统失效的条件概率;Pr(S=1|Ci=0)为单机产品失效时系统完好的条件概率;Pr(S=0|Ci=0)为单机产品失效时系统失效的条件概率;
其中,Pr(Ci=1)已知,Pr(S=1)和Pr(S=0)之和为1;
[0032] 并且,
[0033] 根据本发明的一个方面,在所述e步骤中,根据各重要度的指标属性量值对融合性设计方案是否有利,区分出正向指标和反向指标;
[0034] 所述正向指标在排序时,其属性量值越大,优序号越大;
[0035] 所述反向指标在排序时,其属性量值越大,优序号越小;
[0036] 若有S个相同属性量值的指标,则把它们安排在同一个优序号位置上,但其后面空出S-1个空位置,这些具有相同属性量值的指标的优序数大小计算为:
[0037] 所在序号数
[0038] 其它的指标的优序数就是它们的优序号数;
[0039] 则方案的总优序数为:
[0040]
[0041] 式中,N为备选方案个数;l为方案位置的列数;ml为第1列中方案出现的次数。
[0042] 根据本发明的一个方案,针对不同程度应用融合性设计,对评价出的一、二类故障进行了四种重要度的计算。并且对四种重要度机型排序分析,然后根据分析结果判断最优融合性设计程度。由此,本方法从四种重要度的角度对融合性设计进行评价,并反馈设计提出系统级的优化方案。使评价与设计形成相互优化提升的关系,提高了系统优化的效率。
[0043] 根据本发明的一个方案,针对一、二类故障对四种重要度利用优序法排序,相较传统的重要度排序方法,优序法更适合对组合体航天器进行多指标耦合的重要度排序。
[0044] 根据本发明的一个方案,对四种重要度赋予适用于组合航天器的内涵,用四种重要度解释了单机产品对系统可靠性的影响,相比其他评价方法更直接、更明确。
附图说明
[0045] 为了更清楚地说明本发明实施例现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0046] 图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法的流程图

具体实施方式

[0047] 为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些
实施方式,对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048] 在针对本发明的实施方式进行描述时,术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系,其仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此上述术语不能
理解为对本发明的限制。
[0049] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述,实施方式不能在此一一赘述,但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
[0050] 参照图1所示的流程图,本发明的基于组合体航天器融合性设计的重要度分析方法,首先要确定组合体航天器系统设计方案。组合体航天器由多个舱段在轨组装建造而成,每个舱段都是具备在轨独立飞行能航天器。在轨形成一个整体,由一个核心舱段统一管
理。以组合体航天器为工程背景,系统符号为S,单机产品符号为Ci。系统和多个单机产品均存在失效和完好两种状态,0为失效,1为完好。n个单机产品标记为C1,C2…,Cn。然后以单机状态为底事件、以系统状态为顶事件的故障树根据系统结构建立。决定单机状态的因素为
单机产品Ci服从单机寿命分布的寿命状态。将单机寿命状态定义为基本事件,单机寿命分
布函数已知,各单机寿命状态相互独立,从而评估单机产品的可靠性。
[0051] 随后初步确立的融合型设计方案,可根据组合体航天器的在轨组装舱段数量确定,分为两舱融合和多舱融合(分为三舱和n舱融合)。根据故障程度,确立组合体航天器系统的一类故障和二类故障。
[0052] 针对组合体航天器系统中不同程度应用融合性设计,对上一步骤中识别确立的一类故障和二类故障计算BM,RAW,RRW,F-V四种重要度。
[0053] 其中,BM重要度含义是单机产品可靠性变化引起系统可靠性的变化程度,也称为概率重要度,即Birnbaum重要度。描述了一个单机产品状态概率变化对于系统状态概率变
化的影响。公式为:
[0054] I(BM)i=Pr(S=1|Ci=1)-Pr(S=1|Ci=0);
[0055] 公式含义为,单机产品Ci从完好状态(Ci=1)变为失效状态(Ci=0)时系统可靠性的变化值。其中R表示系统或单机产品的可靠性函数。
[0056] RAW重要度含义是单机产品被剔除后系统不可靠性与原来系统不可靠性的比值,也称为风险业绩值(Risk achievement worth)。可以理解为哪个单机产品在引起系统具有
高风险方面起最重要的作用,其发生失效时产生的负面影响最大。其公式为:
[0057]
[0058] 公式含义为,单机产品Ci剔除前后系统不可靠性的比值。
[0059] RRW重要度含义为系统不可靠性与单机产品替换为完美单机产品时系统不可靠性的比值,也称为风险降低值(Risk reduction worth)。公式为:
[0060]
[0061] 公式含义为,单机产品Ci替换前后系统不可靠性的比值。
[0062] F-V重要度含义为单机产品能够导致的系统可靠性的最大降低值,也称为割集重要度(Fussell-Vesely)。公式为:
[0063]
[0064] 上述公式中,S为组合体航天器系统,Ci为单机产品,Pr(Ci=1)为单机产品可靠性;Pr(S=1)为系统可靠性;Pr(S=0)为系统不可靠性;Pr(S=1|Ci=1)为单机产品完好时系统完好的条件概率;Pr(S=0|Ci=1)为单机产品完好时系统失效的条件概率;Pr(S=1|Ci=0)为单机产品失效时系统完好的条件概率;Pr(S=0|Ci=0)为单机产品失效时系统失效的条
件概率;其中,Pr(Ci=1)已知,Pr(S=1)和Pr(S=0)之和为1。
[0065] 并且,
[0066] 以上四种重要度的计算结果(双、三、n舱融合)如表1所示:
[0067]单机产品(Ci) BM重要度 RAW重要度 RRW重要度 F-V重要度
C1        
C2        
C3        
....        
Cn        
[0068] 表1
[0069] 然后分别针对上一步涉及的一类故障和二类故障采用优序法进行BM,RAW,RRW,F-V四种重要度的排序。优序法可以简化计算方法,从而并不需要对方案进行两两比较,也不需要直接计算每个方案的优序数,只需要根据各重要度的指标属性量值对融合性设计方案是否有利,区分出正向指标和反向指标。其中,正向指标是指指标属性量值越大对于方案越有利,即指标与方案之间是正向关系;反向指标是指指标属性量值越大反而对方案不利,即指标与方案之间是反向关系。正向指标按照各个方案所对应的不同指标属性量值进行排
序,其属性量值越大,优序号越大,即量值最大的排在最大优序号上,其余依次往优序号小的方向排。反向指标按照各个方案所对应的不同指标属性量值进行排序,其属性量值越大,优序号越小,即量值最大者排在优序号最小的位置,其余依次往优序号大的方向排。
[0070] 若有S个相同属性量值的指标,则把它们安排在同一个优序号位置上,但其后面空出S-1个空位置,这些具有相同属性量值的指标的优序数大小计算为:
[0071] 所在序号数
[0072] 其它的指标的优序数就是它们的优序号数;
[0073] 则方案的总优序数为:
[0074]
[0075] 式中,N为备选方案个数;l为方案位置的列数;ml为第1列中该方案出现的次数。优序数计算如表2所示:
[0076]
[0077] 表2
[0078] 最后,对BM,RAW,RRW,F-V四种重要度赋予适用于组合体航天器的内涵。然后根据四种重要度的内涵,对上述采用优序法对四种重要度的排序进行分析,通过分析结果确定可以达到系统效费比最优的融合性设计程度。
[0079] 综上所述,本发明针对不同程度应用融合性设计对一、二类故障进行了四种重要度的计算。并针对一、二类故障对这四种重要度利用优序法排序。随后对四种重要度赋予了适用于组合航天器的内涵,并根据内涵对四种重要度的排序进行分析,然后根据分析结果
确定最优程度的融合性设计。由此,本发明从重要度的角度对融合性设计进行评价,并反馈设计提出系统级的优化方案。使评价与设计形成相互优化提升的关系,提高了系统优化的
效率。优序法相较传统的重要度排序方法更适合对组合体航天器进行多指标耦合的重要度
排序。并且,用四种重要度解释了单机产品对系统可靠性的影响,相比其他评价方法更直
接、更明确。
[0080] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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