具有时间冗余的复杂多阶段任务系统的可靠性评估方法

Based on the requirements of engineering application, this project mainly conducts study on reliability modeling and evaluation methods of complex phased mission systems(PMS) with time redundancy，conditional paths and other characteristics. For such kind of systems, there are some phases whose mission success only demands minimal required operational time interval. Moreover, the mission execution process of such systems may have probabilistic conditional branches triggered by external events or states of phase mission execution. The main research works of this project includes: normalized description methods for reliability requirements of complex phased mission systems with time redundancy and other characteristics; methods of reliability modeling and evaluation for phased mission systems with time redundancy; methods of reliability modeling and evaluation for phased mission systems with conditional paths that depend on external events or states of phase mission execution. This project will do research by using theories and methods such as multiple views modeling, continuous time Markov chains, Markov regenerative processes and hybrid models that combining combinatorial and state space models. The research of this project will provide support of important theory, methods and key techniques for reliability evaluation and analysis of space telemetry, tracking, and control (TT&C) systems and other complex systems.

本项目以工程应用需求为背景，主要研究具有时间冗余和条件路径等特性的复杂多阶段任务系统（PMS）的可靠性评估方法。这类系统中存在某些阶段，其任务完成只需要系统在阶段内满足最短正常工作时间要求即可。此外，系统的阶段任务执行流程可能具有由外部事件触发或阶段任务执行状态触发的条件概率路径分支。项目的主要研究内容包括：具有时间冗余等特性的复杂多阶段任务系统的可靠性要求的规范化描述方法；具有时间冗余的多阶段任务系统的可靠性建模与评估方法；具有依赖于外部事件或阶段任务执行状态的条件路径的多阶段任务系统的可靠性建模与评估方法。本项目综合运用多视图建模、连续时间Markov链、Markov再生过程、组合模型与状态空间模型相结合的混合模型等理论方法进行研究。本项目的研究将为航天测控通信系统等复杂系统的任务可靠性评估提供重要的理论方法和关键技术支持。

多阶段任务系统（phased mission systems,简称PMS）是指依序执行一系列阶段任务的系统，其失效准则和逻辑结构在各阶段可能变化。航天测控系统是指在航天器飞行的各阶段对航天器及其有效载荷进行跟踪测量、监视与控制的工程系统，其可靠性对于航天任务成功具有重要的影响。除了具有一般PMS的特性之外，航天测控系统还具有时间冗余特点：1）阶段内时间冗余，具体是指在有些阶段，阶段任务成功并不需要系统在整个阶段内全部正常工作。2）阶段间的时间冗余（条件路径），具体是指某一阶段任务失败后可在后续阶段再次执行该任务。 .本项目研究了具有时间冗余特性的多阶段任务系统的可靠性评估问题。项目的主要研究内容包括：1）具有时间冗余等特性的多阶段任务系统可靠性要求的规范化描述方法。2）具有阶段内时间冗余的多阶段任务系统可靠性建模与评估方法。3）具有条件路径的多阶段任务系统的可靠性建模与评估方法。4）以航天测控系统任务可靠性定量化评估问题为背景构建示例对本项目提出的建模评估方法进行验证。.本项目取得了如下研究成果：.1）基于体系结构框架模型，提出了具有时间冗余的 PMS 任务可靠性描述模型, 并用 XML 描述了可靠性建模需要的信息。此外，还给出了一种基于表格的规范化描述方法。2）对具有阶段内时间冗余的PMS，提出了基于面向对象的Monte-Carlo仿真的任务可靠性求解方法。3）对具有条件路径的多阶段任务系统，提出了采用事件树（ET）和故障树（FT）组合建模，再转化为BDD求解的任务可靠性评估方法。此外，还给出了基于谓词随机Petri网、扩展的面向对象的Petri网的建模评估方法。.4）以航天测控系统任务为背景构造示例对研究成果进行了验证。由于可以考虑时间冗余因素，本项目提出的方法可以更为精准地反映系统的任务可靠性。