具有阶段冗余特性的多阶段任务系统可靠性分配模型及算法

Based on the requirement of reliability allocation of space tracking, telemetry and command system, this project mainly focus on studying the reliability allocation modelling and algorithm of phased mission systems (PMS) with phase redundancy. For such kind of PMS, it has the following characteristics: 1) The failure of a phase with redundancy will not directly lead to the failure of PMS, because the failure task can be reassigned to one of the redundancy phases; 2) It has more than one possible mission execution sequences which are related to the redundancy solution and scheduling strategy, and the mission execution sequence may change to another branch triggered by state change of a component. This project will provide a double-layer combinational model to depict different mission execution sequences and each phases' component combinational logical for the PMS with phase redundancy. And present a double-layer optimization model for reliability allocation considering redundancy scheduling strategy. The upper layer is the reliability allocation model and the lower layer is the redundancy scheduling optimization model. Additionally, this project will provide a dynamic programming based hybrid meta-heuristic algorithm to solve the double-layer optimization model. The research achievement of this project will provide theoretical method for reliability allocation of space telemetry, tracking and control (TT&C) systems and provide decision support for relevant department.

本项目以航天测控通信系统可靠性分配需求为背景，主要研究具有阶段冗余特性的多阶段任务系统（PMS）可靠性分配模型及其求解算法。这类系统除具有一般PMS的特点外，还具有以下复杂特性：1）阶段任务失败不一定会引起系统任务失败，失败的阶段任务可以被安排到冗余阶段进行重新执行；2）系统阶段任务执行序列不唯一，会随系统部件的状态、冗余分配方案、冗余调度策略的变化而动态变化。本项目拟构建基于双层结构的组合模型，用于描述具有阶段冗余特性PMS的不同系统任务执行序列及其各个阶段的部件组合逻辑；建立考虑冗余调度策略的可靠性分配双层优化模型，其上层模型描述冗余分配问题，下层模型描述冗余调度优化问题；提出基于动态规划的混合元启发式算法求解提出的双层优化模型。研究成果将为航天测控通信系统的任务可靠性分配问题提供理论方法，为相关部门制定决策提供技术支持。

本项目以航天测控通信系统可靠性分配需求为背景，主要研究具有阶段冗余特性的多阶段任务系统（PMS）可靠性分配模型及其求解算法。. 本项目需要解决的关键问题有2个：1）冗余多阶段任务系统动态任务的可靠性建模与评估方法；2）冗余多阶段任务系统动态任务的可靠性分配模型与算法。. 本项目以航天测控通信系统执行测控任务为具体对象开展研究，取得了一系列理论突破。针对多阶段任务系统动态任务的可靠性建模与评估方法问题，本项目提出了3种算法，分别为：1）基于阶段代数的方法；2）基于EOOPN模型的方法；3）基于动态故障树的方法；其中基于阶段代数的方法通过构建基于双层结构的组合模型，用于描述具有阶段冗余特性PMS的不同系统任务执行序列及不同任务执行序列所对应的各个阶段的部件组合逻辑，通过定义互斥的阶段状态，该算法可以处理阶段间具有冗余冲突得情况。针对具有阶段备份设计的航天测控通信系统可靠性分配问题，本项目建立了以最大化系统实际任务可靠度为目标的分配模型，并提出了2种求解算法，一种是基于加权路径数量的启发式分配算法，该算法以系统可行路径数量作为启发因子，使用所有失效部件的失效率乘积作为路径的加权值，该算法能够较快得收敛，但是容易陷入局部最优；因此，本项目提出了基于加权路径数量的混合元启发式分配算法，其中使用启发式算法生成初始可行解，而后使用遗传算法进行嵌套优化，示例证明混合元启发式分配算法能得到更优解。针对于应用研究，本项目使用了一个简化的航天测控通信系统执行测控任务的可靠性建模评估与分配为例，验证了上述多个模型与方法的可行性。. 本研究成果将为航天测控通信系统的任务可靠性分配问题提供理论方法，并可以推广到其他任务系统的可靠性分配设计中去，为高端装备制造管理和国防建设发挥作用。