复杂装备系统安全性的非线性耦合机理研究

The system safety of complex materiel is from multi-hierarchical nonlinear coupling among its parts, subsystem, and each other, which the remarkable character of multi-domain coupling, cascaded collapse, concealment, catastrophic. Therefore, how to implement intrinsic safety control is the puzzle of academia, on the basis of the nonlinear coupling mechanism of complex materiel system safety. The project based on a research ideas of “mechanism-model-simulation-validation”,according to the methods of network evolvement dynamics and system simulation validation, the nonlinear dynamics mechanism is researched between complex materiel system safety and the structure character of multi-hierarchical coupling network ,coupling mode, from the co-evolution perspective of node attribute and network structure. The detailed work is as follows: The hazard coupling response characteristic of materiel parts and multi-hierarchical coupling network modeling of complex materiel system safety. The coupling evolvement mechanism of complex materiel subsystem–level safety coupling. The multi-hierarchical coupling emergence mechanism of complex materiel system accident. The work may reveal the mechanism of complex materiel system safety from the perspective of its nonlinear coupling, which will provide theoretical guidance and technical support for complex materiel safety analysis, prewarning, control and optimization design.

复杂装备系统安全性问题产生于部件、子系统以及他们之间的多层次非线性耦合交互过程，具有多域耦合、级联崩溃、隐蔽性强，易造成灾难性事故等显著特征。如何从非线性耦合角度揭示复杂装备系统安全性演化涌现机理，实施本质安全控制成为困扰学术界的难题。本项目按照机理—模型—仿真—验证的研究思路，采用网络演化动力学建模和系统仿真验证两种手段，基于节点属性与网络结构协同演化视角，研究复杂装备系统安全性与其多层耦合网络结构特征、耦合模态之间的非线性演化涌现动力学机制。具体研究内容包括：复杂装备系统安全性多层耦合网络建模；复杂装备部件级危险耦合响应特性分析；复杂装备子系统级安全性耦合演化机制；复杂装备系统级事故涌现的多层耦合突变机制。上述研究可望从非线性耦合角度揭示复杂装备系统安全性演化涌现机理，为更加科学全面的进行安全性分析预警，制定有效适用的安全控制对策以及复杂装备优化设计提供理论指导和技术支持。

项目按照机理—模型—仿真—验证的研究思路，将可靠性、复杂网络、不确定理论等引入复杂装备系统安全性研究中，重点探索了复杂装备系统安全性与其多层耦合网络结构特征、耦合模态之间的非线性演化涌现动力学机制。首先，通过收集大量装备事故案例数据，提出了部件危险元耦合响应特性的可靠性分析模型。构建了复杂装备系统IDAC-STAMP模型危险元辨识和整体分析网络框架，提供了复杂装备系统安全性多层耦合描述和量化方法；其次，利用危险元耦合链和DSM-UR-GERT网络，分别描述复杂装备子系统层内和层间安全性耦合传导路径、关键危险元，提出复杂装备系统级安全风险演化多层网络向单层网络的转化方法；然后，从多层耦合网络演化参数和时间序列角度研究复杂装备事故涌现的耦合突变机制。利用复杂网络级联失效模型，仿真分析航空网络的脆性和自愈特性的突变性质，利用多重分形和相空间重构混沌预测方法，分析复杂装备事故时间序列的非线性耦合特征、成因和发展趋势，提出复杂装备事故涌现的微观仿真分析模型和宏观规律判定方法；最后，以飞机飞行任务安全性为例，针对飞机子系统、驾驶员子系统、航管子系统，通过建模仿真分析和安全管理应用，验证复杂装备系统安全性分析模型及耦合动力学机制，探索复杂装备系统安全性的管控优化模型。项目部分成果用于飞行事故预测和飞机维修保障安全风险分析预警中，为部队飞机系统安全管理水平提升提供了技术支撑。